Relaciones masa-radio de estrellas de neutrones (curvas NS1 y NS2) y estrellas de quarks extraños (curva QS) en comparación con varios datos astrofísicos, incluida la medición reciente de NICER (Riley en al.2021 y Miller et al.2021) del radio del milisegundo pulsar J0740 + 6620. También se muestra un ejemplo de salto (flecha punteada roja) de la primera familia a la segunda familia de estrellas para los dos modelos de estrellas de neutrones. Crédito:Bombaci et al.
El 14 de agosto de 2019, la colaboración LIGO-Virgo detectó una señal de onda gravitacional que se cree que está asociada con la fusión de un sistema estelar binario compuesto por un agujero negro con una masa de 23 veces la masa del sol (M⊙) y un objeto compacto con una masa de aproximadamente 2,6 M⊙. La naturaleza de la estrella secundaria de GW190814 es enigmática, ya que, según las observaciones astronómicas actuales, podría ser la estrella de neutrones más pesada o el agujero negro más ligero jamás observado.
Investigadores de la Universidad de Pisa, La Universidad de Ferrara y el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en Italia han llevado a cabo recientemente un estudio que explora la posibilidad de que la fuente del evento GW190814 detectado por LIGO-Virgo sea un extraño sistema de estrellas de quarks con un agujero negro. Su papel publicado en Cartas de revisión física , se basa en un modelo astrofísico que desarrollaron hace varios años.
"La primera condición requerida por nuestro modelo es que la densidad central de las estrellas de neutrones masivas sea lo suficientemente alta como para permitir una transición desde una fase de materia nuclear 'normal' (un fluido que consta de neutrones, protones y posiblemente otras partículas como hiperones) a una nueva fase que consiste en un fluido hecho de los tres tipos más ligeros de quarks, a saber, el up (u), quarks abajo (d) y extraños (s) (la llamada materia de quarks extraños), "Ignazio Bombaci, Alessandro Drago, Domenico Logoteta, Giuseppe Pagliara e Isaac Vidaña, los investigadores que llevaron a cabo el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Además, si la materia de quarks extraños es absolutamente estable (la llamada hipótesis de Bodmer-Terezawa-Witten) entonces la transición es de primer orden, y las estrellas de neutrones 'normales' más allá de un valor umbral de su masa se vuelven metaestables y pueden convertirse en extrañas estrellas de quarks ".
El escenario astrofísico explorado por Bombaci y sus colegas propone que en la naturaleza, hay dos familias coexistentes de estrellas compactas, a saber, estrellas de neutrones "normales" y estrellas extrañas de quarks. Es más, cuando una estrella de neutrones se convierte en una extraña estrella de quarks, libera una cantidad significativa de energía (aproximadamente 10 53 ergio), que se asemeja a la energía liberada durante una explosión de supernova.
Representación artística de la fusión entre un agujero negro y una estrella de neutrones
"Un concepto erróneo común y aún popular es que la transición de fase a la materia de quarks extraños hace que el material estelar sea más suave, es decir, más exprimible, ", explicaron los investigadores." Este concepto erróneo se basa en la creencia errónea de que los quarks pueden considerarse como partículas que no interactúan (gas ideal de Fermi). La introducción de dinámicas de quarks más sofisticadas ha indicado inequívocamente que la materia extraña de los quarks es bastante rígida, y las estrellas de quarks extrañas pueden tener grandes masas de hasta casi tres veces la masa del sol (M⊙) ".
Cuando Bombaci y sus colegas observaron por primera vez los datos asociados con el evento de ondas gravitacionales GW190814, específicamente el valor de la masa del objeto compacto secundario del sistema binario (es decir, 2,50 - 2,67 M⊙), se dieron cuenta de que este objeto podría ser parte de la segunda familia de estrellas compactas (es decir, una extraña estrella de quark de gran masa).
Según el paradigma que se acepta actualmente en astronomía, solo hay una familia de estrellas compactas (es decir, la familia de las estrellas de neutrones). Además, el paradigma sugiere que existe una correspondencia biunívoca entre la densidad central y la presión de una estrella de neutrones y su masa y radio. Esto significa que medir la masa y el radio de varias estrellas de neutrones individuales podría permitir a los investigadores inferir la relación entre la presión y la densidad del material estelar. determinando la llamada ecuación del estado de la materia densa.
Como en el escenario considerado por Bombaci y sus colegas, hay dos familias coexistentes de estrellas compactas; idealmente, su conexión con la ecuación de estado de la materia densa debería explorarse desde una perspectiva nueva y diferente.
Representación artística de la fusión entre un agujero negro y una estrella de neutrones (extraña estrella de quark). Crédito:Bombaci et al.
"En nuestra opinion, esta es una de las ideas más significativas que nuestro trabajo aporta a los campos de la astrofísica y la física de la materia densa, ", dijeron los investigadores." Otra implicación relevante es que en nuestro escenario, Hay tres tipos posibles de fusiones:estrella de neutrones-estrella de neutrones, estrella de neutrones - extraña estrella de quark, extraña estrella de quark - extraña estrella de quark. La fenomenología de las fusiones es, por tanto, muy diferente del caso en el que sólo hay una familia de estrellas compactas ".
El artículo reciente de Bombaci y sus colegas describe tres tipos diferentes de posibles fusiones entre estrellas. Además, sugiere que si la materia de quarks extraños es absolutamente estable, incluso la materia oscura podría ser, al menos en parte, hecho de grandes trozos de arriba, quarks abajo y extraños. Esta hipótesis aún no ha sido descartada por ninguna observación experimental.
Los datos futuros recopilados por detectores de ondas gravitacionales combinados con mediciones precisas de radio de masa podrían ayudar a probar más la hipótesis presentada por este equipo de investigadores.
"En particular, deberíamos tener la oportunidad de probar nuestro modelo de escenario de dos familias contra restricciones más estrictas, ", dijeron los investigadores." También esperamos aprender de la fenomenología de las fusiones, en particular a partir del análisis de la señal de kilonova:la señal esperada es bastante diferente en nuestro escenario de aquel en el que sólo existe una familia de estrellas compactas ".
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