Las estrellas de neutrones más masivas probablemente tengan núcleos de materia de quarks

Los átomos están formados por tres cosas: protones, neutrones y electrones. Los electrones son un tipo de partícula fundamental, pero los protones y los neutrones son partículas compuestas formadas por quarks arriba y abajo. Los protones tienen 2 subidas y 1 bajada, mientras que los neutrones tienen 2 bajadas y 1 subida. Debido a la curiosa naturaleza de la fuerza fuerte, estos quarks siempre están unidos entre sí, por lo que nunca pueden ser partículas verdaderamente libres como los electrones, al menos en el vacío del espacio vacío. Pero un nuevo estudio en Nature Communications descubre que pueden liberarse dentro del corazón de las estrellas de neutrones.

Las estrellas de neutrones son restos de estrellas grandes. Son un último esfuerzo para evitar que el núcleo estelar colapse en un agujero negro. Una vez agotado todo el combustible nuclear de un núcleo denso, lo único que puede contrarrestar la gravedad es la presión cuántica de los neutrones. Y ahí es donde la cosa se complica.

El modelo simple de una estrella de neutrones sostiene que su núcleo está lleno de neutrones a punto de colapsar sobre sí mismos. Pueden chocar entre sí con una energía tremenda, pero siguen siendo neutrones. Los quarks que contienen están demasiado unidos para que los neutrones se rompan. Pero algunos han argumentado que en este borde gravitacional, los neutrones pueden soltarse, permitiendo que sus quarks fluyan juntos en una especie de sopa de quarks. Esto significaría que las estrellas de neutrones podrían tener un núcleo denso de quarks.

Desafortunadamente, no podemos realizar experimentos con estrellas de neutrones, ni podemos crear el tipo de materia nuclear densa de una estrella de neutrones en la Tierra, pero tenemos una idea de cómo se comporta la materia nuclear densa a través de su ecuación de estado. Una ecuación de estado es una forma de calcular las propiedades generales de un material, y para las estrellas de neutrones esa ecuación de estado se conoce como ecuación de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). El único problema es que el TOV es una ecuación increíblemente compleja, y si la usas para calcular si las estrellas de neutrones tienen un núcleo de quark, la respuesta que obtienes es… tal vez.

Para este nuevo estudio, el equipo adoptó un enfoque diferente. En lugar de repasar los cálculos de ecuaciones de estado, tomaron datos de observación sobre la masa y el tamaño de las estrellas de neutrones y aplicaron estadísticas bayesianas. Este método estadístico analiza patrones de observación y extrapola escenarios probables de una manera sutil pero poderosa. En este caso, si las estrellas de neutrones tienen un núcleo de quarks, entonces son ligeramente más densas que las estrellas de neutrones sin núcleo de quarks. Dado que las estrellas de neutrones pequeñas probablemente no tengan núcleos de quarks, mientras que las estrellas de neutrones más masivas probablemente sí los tengan, debería aparecer un cambio en la relación masa-densidad en el análisis bayesiano.

El equipo descubrió que las estrellas de neutrones masivas, aquellas con masas superiores a dos soles, tienen entre un 80% y un 90% de probabilidad de tener núcleos de quarks. Parece que la verdadera pregunta no es si existen estrellas de quarks, sino dónde está la transición entre las estrellas de quarks y las estrellas de neutrones normales.

Para ser justos, este análisis se basó en una muestra de datos bastante pequeña. Actualmente no conocemos ni la masa ni el radio de la mayoría de las estrellas de neutrones, pero eso cambiará con el tiempo. Con más datos, deberíamos poder precisar el cambio de fase crítico entre la materia de quarks y la materia de neutrones densos. Pero por ahora podemos estar bastante seguros de que algunas estrellas de neutrones son mucho más extrañas de lo que habíamos imaginado.

Con información de UniverseToday