El trabajo de investigación en UiS Universitetet i Stavanger - Universidad de Stavanger y NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet - Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología puede resultar en mejores simulaciones de grandes eventos astrofísicos como explosiones de supernovas.El trabajo también genera esperanzas de descubrir más sobre cómo se comportan los núcleos atómicos en las estrellas de neutrones.
El trabajo, que se publicó en diciembre de 2015, fue realizado por Tomas Brauner en UiS junto con el profesor Jens Oluf Andersen y William Naylor de NTNU. El grupo de física de la Universidad de Stavanger colabora en muchos proyectos de investigación con NTNU.
condiciones extremas
El campo de Tomas Brauner en la física teórica es la materia en condiciones extremas. Nos pide que consideremos el sol, cuya temperatura superficial es de unos pocos miles de grados. Esto está lejos de lo que estos investigadores llaman extremo.
"Con respecto a la temperatura y la densidad, lo que llamamos extremo es miles de millones más alto que eso", dice Brauner.
La mayoría de la gente sabe que un átomo consiste en un núcleo con protones y neutrones y electrones que rodean el núcleo. Si imagina un átomo del tamaño de un campo de fútbol de unos 100 metros de largo, entonces el núcleo tendría aproximadamente el tamaño dela cabeza de un clavo, es decir, alrededor de un milímetro. Pero aunque el núcleo de un átomo es extremadamente pequeño, casi toda la masa atómica se encuentra en el núcleo y el resto, todo el campo de fútbol, prácticamente no contiene masa.
Una de las cosas en las que trabajaron Brauner y sus colegas fue ver cómo los núcleos atómicos se comprimían juntos de modo que los núcleos atómicos se acercaran entre sí. Cuando los aprieta, la distancia se vuelve cien mil veces menor de lo que normalmente es dentro deel átomo. Pero esto no es fácil, porque los electrones cargados negativamente se repelerán entre sí. "Se necesita una presión extrema para lograr esto", explica Brauner.
En las estrellas de neutrones, es la atracción gravitacional la responsable de esta presión. El sol tiene un radio de aproximadamente 700.000 km. Tome toda esta masa y apriétela en un radio de 10 km.
"Esto es lo que queremos decir con densidad extrema. La fuerza gravitacional aumenta muy rápidamente cuando las cosas se acercan entre sí. Esta presión extrema aprieta la materia y la mantiene unida por enormes fuerzas gravitacionales", dice Tomas Brauner.
Ahora estamos llegando al núcleo de la contribución de Brauner y sus colegas a la astrofísica. Las estrellas de neutrones y los agujeros negros son el resultado de explosiones de supernovas. Tal explosión ocurre cuando las fuentes de energía de una estrella se agotan y colapsa. Los astrofísicos saben todo sobre la gravedadtirón y cómo se comporta la materia en, por ejemplo, estrellas de neutrones, pero necesitan información sobre lo que sucede con los núcleos dentro de los átomos, y aquí es donde entramos con resultados de la física microscópica.
"Entre otras cosas, podemos estimar y decir algo sobre la presión que contrarresta, o intenta resistir, la compresión gravitacional", explica Tomas Brauner.
Se han encontrado cuatro fuerzas básicas que actúan en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, donde las dos últimas tienen que ver con el nivel en el que los núcleos atómicos interactúan entre sí.
cálculos complejos
La fuerza nuclear fuerte es la que discutiremos aquí. Esto también se llama cromodinámica cuántica o QCD. Las predicciones sobre esta teoría fueron postuladas a principios de la década de 1970 por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross, y fueron galardonados con el NobelPremio de Física en 2004.
"Hemos estado bastante seguros durante más de 40 años, y creemos firmemente, que QCD es la teoría correcta con respecto a lo que sucede cuando los núcleos atómicos interactúan, pero es extremadamente difícil hacer cálculos basados en la teoría. Solo a gran escalalas simulaciones por computadora son capaces de hacer esto ", dice Brauner.
E incluso aquí es un desafío. Las condiciones que interesan a Brauner y sus colegas son densidades muy altas y grandes cantidades de materia comprimida. En este momento, estos cálculos son demasiado complejos. Los cálculos llevarían años, e incluso cuando esté muertoy enterrados, las computadoras todavía estarían trabajando en ellos.
modelos aproximados
La situación es que tienes una teoría que es correcta, pero no puedes hacer simulaciones basadas en la teoría. Una forma de evitar esto ha sido usar modelos más simples. Esto da resultados más aproximados, pero, en cualquier caso, Brauner puedehacer cálculos con la computadora que tiene en su oficina. Nuestro trabajo ha sido comprender la relación entre la teoría precisa y el modelo bastante más aproximado que se puede usar para hacer cálculos.
El modelo que han utilizado es el modelo Nambu-Jona-Lasinio o NJL que lleva el nombre del físico japonés-estadounidense Yoichiro Nambu ganador del Premio Nobel en 2008 y del italiano Giovanni Jona-Lasinio. Este modelo ha existido durantecasi 50 años y se ha utilizado para medir la masa de partículas como protones y neutrones, entre otras cosas. En los últimos 20 años, también se ha utilizado en paralelo con simulaciones numéricas en la investigación de astrofísica nuclear.
Es un modelo muy popular. En consecuencia, lo que encontraron Tomas Brauner y sus colegas cuando estudiaron la relación entre esta teoría y el modelo fue sorprendente.
enlace perdido
Básicamente, cuando creas un modelo basado en una teoría, la simetría debe ser correcta. Este es el principio rector de la física moderna. En el mundo microscópico, esto significa que las partículas, por ejemplo, tienen propiedades similares. Cuando construyes un modelode una teoría, los detalles pueden ser aproximados, pero la simetría debe estar siempre ahí como punto de partida. Llegamos ahora al primer descubrimiento en el trabajo de Brauner y sus colegas. Había algo mal en las ecuaciones utilizadas en este modelo.
"Faltaban dos términos en la ecuación. La gente tiende a simplemente criticar las cosas y esto se pasó por alto", dice Brauner.
Simulaciones precisas
No utilizaron la teoría QCD para encontrar las piezas faltantes en el uso del modelo NJL, sino una teoría similar en la que ya se habían producido los resultados de grandes simulaciones. Las predicciones en el modelo NJL se compararon con estos resultados.
Él cree que su descubrimiento será útil para otros.
"El modelo NJL se usa para hacer predicciones que los astrofísicos necesitan para su trabajo. Ahora, hemos demostrado que para hacer predicciones precisas se debe agregar algo al modelo. Por lo tanto, los resultados y los datos de entrada que podemos entregar a los astrofísicos ayudanpara hacer que las simulaciones astrofísicas sean más precisas ", dice Brauner.
sopa de Quark
El trabajo de Brauner y sus colegas también resultó en otro hallazgo importante, y ahora veremos los quarks. Cada protón y cada neutrón en un núcleo atómico contiene tres quarks. En circunstancias normales, no es posible observar estosquarks individualmente. No se pueden aislar en experimentos y no se encuentran aislados en la naturaleza.
Pero, ¿qué sucede con estos grupos de quarks cuando se calienta la materia a temperaturas muy altas? Los núcleos se derriten y se disuelven para formar un tipo de sopa de quark. Esto se conoce como plasma de quark-gluón QGP. En junio del año pasado,Los físicos lograron producir plasma de quarks y gluones utilizando el colisionador de partículas, el Gran Colisionador de Hadrones, de la Organización Europea para la Investigación Nuclear CERN.
Esta sopa de quarks consta de quarks que ahora están libres y gluones que es la partícula que une a los quarks para formar protones y neutrones, entre otras cosas. Se cree que unos microsegundos después del Big Bang, también conocido como elQuark Epoch, el universo existía en un estado de plasma de quark-gluón.
Quarks en estrellas de neutrones
"Sabemos que los quarks se liberan cuando los núcleos se funden y se convierten en plasma, pero lo que desconocemos es la estructura de la materia con densidades tan altas como las que se encuentran en las estrellas de neutrones. ¿Son los quarks liberados cuando los núcleos están expuestos aalta presión, o permanecen encerrados dentro de los núcleos? ", se pregunta Brauner.
Él cree que una solución a este rompecabezas que la gente ha estado tratando de entender desde la década de 1970 no solo tendrá una enorme influencia en la astrofísica, sino que también profundizará nuestra comprensión de lo que sucede en los núcleos atómicos.
Utilizando simulaciones por computadora de otras teorías como datos de entrada, el grupo de investigación ha descubierto cómo se puede usar el modelo NJL para describir con precisión las propiedades de la materia en condiciones astrofísicas. Muestran en el artículo de investigación cómo se debe configurar el modelo para reproducirEl resultado.Los resultados conducirán a descripciones más precisas de la materia central en las estrellas de neutrones, que serán directamente relevantes para la astrofísica. Los datos de tales cálculos de modelos se utilizan, por ejemplo, como datos de entrada en simulaciones de explosiones de supernovas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stavanger . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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