Un grupo de investigación finlandés ha encontrado pruebas contundentes de la presencia de materia exótica de quark dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones más grandes que existen. La conclusión se alcanzó combinando resultados recientes de partículas teóricas y física nuclear con mediciones de ondas gravitacionales de estrellas de neutronescolisiones
Toda la materia normal que nos rodea está compuesta de átomos, cuyos núcleos densos, que comprenden protones y neutrones, están rodeados de electrones cargados negativamente. Dentro de lo que se llaman estrellas de neutrones, se sabe que la materia atómica colapsará en materia nuclear inmensamente densa,en el que los neutrones y los protones están tan juntos que la estrella entera puede considerarse un solo núcleo enorme.
Hasta ahora, no ha quedado claro si dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones más masivas, la materia nuclear colapsa en un estado aún más exótico llamado materia de quark, en el que los núcleos ya no existen. Los investigadores de la Universidad de Helsinki ahora afirmanque la respuesta a esta pregunta es sí. Los nuevos resultados se publicaron en la revista Física de la naturaleza .
"La confirmación de la existencia de núcleos de quark dentro de las estrellas de neutrones ha sido uno de los objetivos más importantes de la física de estrellas de neutrones desde que esta posibilidad se planteó por primera vez hace aproximadamente 40 años", dice el profesor asociado Aleksi Vuorinen del Departamento de Física de la Universidad de Helsinki.
existencia muy probable
Incluso con simulaciones a gran escala realizadas en supercomputadoras incapaces de determinar el destino de la materia nuclear dentro de las estrellas de neutrones, el grupo de investigación finlandés propuso un nuevo enfoque para el problema. Se dieron cuenta de que al combinar hallazgos recientes de partículas teóricas y física nuclear con astrofísicamediciones, podría ser posible deducir las características y la identidad de la materia que reside dentro de las estrellas de neutrones.
Además de Vuorinen, el grupo incluye a la estudiante de doctorado Eemeli Annala de Helsinki, así como a sus colegas Tyler Gorda de la Universidad de Virginia, Aleksi Kurkela del CERN y Joonas Nättilä de la Universidad de Columbia.
Según el estudio, la materia que reside dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones estables más masivas se parece mucho más a la materia de quarks que a la materia nuclear ordinaria. Los cálculos indican que en estas estrellas el diámetro del núcleo identificado como materia de quarks puedeexcede la mitad de la de toda la estrella de neutrones. Sin embargo, Vuorinen señala que todavía hay muchas incertidumbres asociadas con la estructura exacta de las estrellas de neutrones. ¿Qué significa afirmar que la materia del quark casi seguramente ha sido descubierta?
"Todavía hay una pequeña, pero no nula, posibilidad de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas solo de materia nuclear. Sin embargo, lo que hemos podido hacer es cuantificar qué requeriría este escenario. En resumen, el comportamiento de la materia nuclear densaentonces debe ser verdaderamente peculiar. Por ejemplo, la velocidad del sonido necesitaría alcanzar casi la de la luz ", explica Vuorinen.
Determinación del radio a partir de observaciones de ondas gravitacionales
Un factor clave que contribuyó a los nuevos hallazgos fue la aparición de dos resultados recientes en astrofísica observacional: la medición de ondas gravitacionales de una fusión de estrellas de neutrones y la detección de estrellas de neutrones muy masivas, con masas cercanas a dos masas solares.
En el otoño de 2017, los observatorios LIGO y Virgo detectaron, por primera vez, ondas gravitacionales generadas por dos estrellas de neutrones fusionadas. Esta observación estableció un límite superior riguroso para una cantidad llamada deformabilidad de las mareas, que mide la susceptibilidad de una órbitaestructura de la estrella al campo gravitacional de su compañero. Este resultado se utilizó posteriormente para obtener un límite superior para los radios de las estrellas de neutrones en colisión, que resultaron ser aproximadamente 13 km.
Del mismo modo, mientras que la primera observación de una estrella de neutrones se remonta a 1967, las mediciones precisas de masa de estas estrellas solo han sido posibles durante los últimos 20 años más o menos. La mayoría de las estrellas con masas conocidas con precisión caen dentro de una ventana entre1 y 1.7 masas estelares, pero la última década ha sido testigo de la detección de tres estrellas que alcanzan o incluso superan ligeramente el límite de dos masas solares.
Se esperan más observaciones
Algo contradictorio, la información sobre los radios y las masas de las estrellas de neutrones ya ha reducido considerablemente las incertidumbres asociadas con las propiedades termodinámicas de la materia estelar de neutrones. Esto también ha permitido completar el análisis presentado por el grupo de investigación finlandés en su Física de la naturaleza artículo
En el nuevo análisis, las observaciones astrofísicas se combinaron con resultados teóricos de vanguardia de partículas y física nuclear. Esto permitió obtener una predicción precisa de lo que se conoce como la ecuación de estado de la materia estelar de neutrones, que se refierea la relación entre su presión y densidad de energía. Un componente integral en este proceso fue un resultado bien conocido de la relatividad general, que relaciona la ecuación de estado con una relación entre los posibles valores de radios y masas de estrellas de neutrones.
Desde el otoño de 2017, se han observado una serie de nuevas fusiones de estrellas de neutrones, y LIGO y Virgo se han convertido rápidamente en una parte integral de la investigación de estrellas de neutrones. Es precisamente esta rápida acumulación de nueva información de observación la que juega un papel clave enmejorando la precisión de los nuevos hallazgos del grupo de investigación finlandés, y al confirmar la existencia de materia de quarks dentro de las estrellas de neutrones. Con más observaciones esperadas en el futuro cercano, las incertidumbres asociadas con los nuevos resultados también disminuirán automáticamente.
"Hay razones para creer que la edad de oro de la astrofísica de ondas gravitacionales apenas está comenzando, y que pronto seremos testigos de muchos más saltos como este en nuestra comprensión de la naturaleza", se alegra Vuorinen.
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