Un equipo de investigación internacional dirigido por físicos de la Universidad de Helsinki (Finlandia) encontró una fuerte evidencia de la presencia de un nuevo tipo de materia en los núcleos de las estrellas de neutrones, un estado exótico de los quarks.

La cuestión

La materia «normal» está compuesta de átomos, cuyos núcleos están formados por protones y neutrones y rodeados de electrones cargados negativamente.

Sin embargo, dentro de las estrellas de neutrones, esta materia atómica se colapsa hasta el punto en que los neutrones y los protones están tan juntos que toda la estrella puede considerarse un núcleo inmenso.

Los científicos ya habían teorizado, pero no estaban seguros de si esta materia dentro de las estrellas de neutrones más masivas se había transformado en un estado de materia más exótico, llamado «materia de quarks», durante este colapso o no.

Ahora, parece que tenemos una respuesta.

Metodología

Este «problema» se propuso hace casi 40 años, e incluso las poderosas simulaciones de grandes fugas en supercomputadoras no han podido determinar el destino exacto de la materia nuclear dentro de las estrellas de neutrones.

Entonces, los investigadores del nuevo estudio decidieron probar un enfoque diferente. Combinaron los resultados recientes obtenidos en estudios teóricos sobre partículas y física nuclear con mediciones astrofísicas de las ondas gravitacionales de una colisión y la consiguiente fusión entre estrellas de neutrones y la detección súper precisa de estrellas de neutrones muy masivas, con masas de aproximadamente el doble del de nuestro sol

La mayoría de las estrellas de neutrones con masas conocidas tienen entre 1 y 1,7 masas estelares. Sin embargo, desde la última década, las mediciones avanzadas han llevado al descubrimiento de tres estrellas con al menos dos masas solares o un poco más.

La nueva información sobre los rayos y las masas de las estrellas de neutrones ya había reducido considerablemente las incertidumbres asociadas con las propiedades termodinámicas de la materia estelar de estos objetos.

En el nuevo análisis, los investigadores combinaron estas observaciones astrofísicas con resultados teóricos avanzados, lo que les permitió obtener una predicción muy precisa de lo que se conoce como la ecuación de la materia estelar de neutrones, que se refiere a la relación entre su presión y densidad de energía.

Un componente integral de este proceso es un resultado bien conocido de la teoría de la relatividad general, que relaciona la ecuación con una relación entre los posibles valores de los rayos y las masas de las estrellas de neutrones.

Resultados

Los cálculos indican que la materia dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones más masivas se parece más a los quarks que a la materia nuclear ordinaria.

En ellos, el diámetro del núcleo identificado como quarks puede exceder la mitad del diámetro de toda la estrella de neutrones.

«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 la estrella de neutrones desde que se consideró esa posibilidad hace 40 años», dijo Aleksi Vuorinen, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Helsinki. .

Entonces, ¿realmente existe la importancia de los quarks?

“Todavía hay una pequeña posibilidad, pero no cero, de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas solo de materia nuclear. Sin embargo, lo que hemos logrado hacer es cuantificar lo que requeriría este escenario. En resumen, el comportamiento de la materia nuclear densa debería ser realmente peculiar. Por ejemplo, la velocidad del sonido necesitaría alcanzar casi la de la luz ”, explicó Vuorinen a Phys.org.

Próximos pasos

Este estudio representa solo un primer paso de muchos que los investigadores todavía tienen que pasar, ya que todavía hay muchas incertidumbres con respecto a la estructura exacta de las estrellas de neutrones.

Dicho esto, desde 2017, se han detectado varias nuevas fusiones de estrellas de neutrones gracias a proyectos como LIGO y Virgo, y aún se esperan muchas otras observaciones.

Esta rápida acumulación de información de observación desempeñará un papel clave en la mejora de la precisión de los descubrimientos realizados por el equipo finlandés y en la confirmación definitiva de la existencia de materia de quarks en las estrellas de neutrones.

«Hay razones para creer que la edad de oro de la astrofísica de ondas gravitacionales recién comienza y que pronto seremos testigos de muchos más saltos como este en nuestra comprensión de la naturaleza», dijo Vuorinen.

El estudio

Además de Vuorinen, el estudio también incluyó a Eemeli Annala, de la Universidad de Helsinki, Tyler Gorda, del Departamento de Física de la Universidad de Virginia (EE. UU.), Aleksi Kurkela, del Departamento de Física Teórica del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear, en Suiza) y Joonas Nättilä, del Departamento de Laboratorio de Física y Astrofísica de la Universidad de Columbia (EE. UU.).

Se publicó un artículo sobre los hallazgos en la prestigiosa revista científica Nature Physics .

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