Un grupo de investigación finlandés ha encontrado pruebas contundentes de la presencia de materia exótica de quarks dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones más grandes que existen. Llegaron a esta conclusión combinando resultados recientes de la física teórica de partículas y nuclear con mediciones de ondas gravitacionales de colisiones de estrellas de neutrones.

Toda la materia normal que nos rodea está compuesta de átomos, cuyos núcleos densos, que comprende protones y neutrones, están rodeados de electrones cargados negativamente. Sin embargo, dentro de las estrellas de neutrones, Se sabe que la materia atómica se colapsa en materia nuclear inmensamente densa en la que los neutrones y los protones están empaquetados tan estrechamente que toda la estrella puede considerarse un solo núcleo enorme.

Hasta ahora, No ha quedado claro si la materia nuclear en los núcleos de las estrellas de neutrones más masivas colapsa en un estado aún más exótico llamado materia de quarks. en el que los propios núcleos ya no existen. Investigadores de la Universidad de Helsinki ahora afirman que la respuesta a esta pregunta es sí. Los nuevos resultados fueron publicados en Física de la naturaleza .

"Confirmar la existencia de núcleos de quarks dentro de las estrellas de neutrones ha sido uno de los objetivos más importantes de la física de las estrellas de neutrones desde que se consideró por primera vez esta posibilidad 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 ejecutadas 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 al problema. Se dieron cuenta de que al combinar hallazgos recientes de la física teórica de partículas y nuclear con mediciones astrofísicas, 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 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 los quarks que a la materia nuclear ordinaria. Los cálculos indican que en estas estrellas, el diámetro del núcleo identificado como materia de quarks puede exceder la mitad del de toda la estrella de neutrones. Sin embargo, Vuorinen señala que todavía existen muchas incertidumbres asociadas con la estructura exacta de las estrellas de neutrones. ¿Qué significa afirmar que es casi seguro que se haya descubierto materia de quarks?

"Todavía existe una probabilidad pequeña pero distinta de cero de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas únicamente de materia nuclear. Lo que hemos podido hacer, sin embargo, es cuantificar lo que requeriría este escenario. En breve, el comportamiento de la materia nuclear densa debería ser entonces verdaderamente peculiar. Por ejemplo, la velocidad del sonido debería 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 detectados, por primera vez, ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos estrellas de neutrones. Esta observación estableció un límite superior riguroso para una cantidad llamada deformabilidad de las mareas, que mide la susceptibilidad de la estructura de una estrella en órbita al campo gravitacional de su compañera. Este resultado se utilizó posteriormente para derivar un límite superior para los radios de las estrellas de neutrones en colisión, que resultó ser de aproximadamente 13 km.

Similar, mientras que la primera observación de una estrella de neutrones se remonta a 1967, Las mediciones precisas de la masa de estas estrellas solo han sido posibles durante los últimos 20 años aproximadamente. La mayoría de las estrellas con masas conocidas con precisión caen dentro de una ventana de entre 1 y 1,7 masas estelares, pero la última década ha sido testigo de la detección de tres estrellas que alcanzaron o posiblemente incluso excedieron ligeramente el límite de dos masas solares.

Se esperan más observaciones

Algo contrario a la intuición, La información sobre los radios y masas de las estrellas de neutrones ya ha reducido considerablemente las incertidumbres asociadas con las propiedades termodinámicas de la materia de las estrellas 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 los resultados teóricos más avanzados de la física nuclear y de partículas. Esto permitió derivar una predicción precisa de lo que se conoce como la ecuación de estado de la materia de las estrellas de neutrones. que se refiere a la relación entre su presión y densidad de energía. Un componente integral de 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 los radios y masas de las 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 esta rápida acumulación de nueva información observacional la que juega un papel clave en la mejora de la precisión de los nuevos hallazgos del grupo de investigación finlandés. y en la confirmación de la existencia de materia de quarks dentro de las estrellas de neutrones. Con más observaciones previstas en un futuro próximo, las incertidumbres asociadas con los nuevos resultados también disminuirán automáticamente.

"Hay motivos para creer que la edad de oro de la astrofísica de ondas gravitacionales apenas está comenzando, y que en breve seremos testigos de muchos más saltos como este en nuestra comprensión de la naturaleza, "Vuorinen se regocija.