Nuevas pruebas de la existencia de núcleos de materia de quarks en estrellas de neutrones masivas
Un nuevo análisis teórico sitúa la probabilidad de que las estrellas de neutrones masivas escondan núcleos de materia de quarks desconfinados entre el 80% y el 90%.
Por Johanna Pellinen
Impresión artística de las diferentes capas del interior de una estrella de neutrones masiva, con el círculo rojo que representa un núcleo considerable de quark-materia. Imagen: Jyrki Hokkanen / CSC
Los núcleos de las estrellas de neutrones contienen materia en las mayores densidades alcanzadas en nuestro universo actual, con hasta dos masas solares de materia comprimida dentro de una esfera de 25 km de diámetro. Estos objetos astrofísicos pueden considerarse núcleos atómicos gigantes, ya que la gravedad comprime sus núcleos hasta densidades que superan con creces las de los protones y neutrones individuales.
Estas densidades hacen de las estrellas de neutrones objetos astrofísicos interesantes desde el punto de vista de la física de partículas y nuclear. Un problema pendiente desde hace tiempo es si la inmensa presión central de las estrellas de neutrones puede comprimir protones y neutrones en una nueva fase de la materia, conocida como materia de quarks fríos. En este exótico estado de la materia, los protones y los neutrones individuales dejan de existir.
"Sus quarks y gluones constituyentes se liberan de su típico confinamiento cromático y pueden moverse casi libremente", explica Aleksi Vuorinen, catedrático de Física Teórica de Partículas de la Universidad de Helsinki, en Finlandia.
Una fuerte transición de fase aún puede arruinar el día.
En un nuevo artículo que acaba de publicarse en Nature Communications, un equipo de la Universidad de Helsinki ofrece por primera vez una estimación cuantitativa de la probabilidad de que existan núcleos de materia de quarks en el interior de estrellas de neutrones masivas.
Los investigadores han demostrado que, basándose en las observaciones astrofísicas actuales, la materia de quarks es casi inevitable en las estrellas de neutrones más masivas: una estimación cuantitativa que extrajo el equipo situaba la probabilidad en un rango del 80%-90%.
Imagen: CERN
La pequeña probabilidad que queda de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas únicamente de materia nuclear requiere que el cambio de esta a materia de quarks sea una transición de fase de primer orden, parecida a la del agua líquida que se convierte en hielo.
Este tipo de cambio rápido en las propiedades de la materia de una estrella de neutrones podría desestabilizar la estrella de tal manera que la formación de un núcleo de materia de quarks, por minúsculo que fuera, provocaría el colapso de la estrella hasta convertirse en un agujero negro.
La colaboración internacional entre científicos de Finlandia, Noruega, Alemania y Estados Unidos ha demostrado que la existencia de núcleos de quarks y materia puede que se confirme o descartarte algún día. La clave está en poder restringir la fuerza de la transición de fase entre las materias nuclear y la de quarks, lo que se espera que sea posible una vez que un día se registre una señal de ondas gravitacionales procedente de la última parte de la fusión de una estrella de neutrones binaria.
Ejecuciones masivas en superordenador utilizando datos observacionales.
Un ingrediente clave para obtener los nuevos resultados fue un conjunto de cálculos masivos en superordenador utilizando la inferencia bayesiana, una rama de la deducción estadística en la que se infieren las probabilidades de los distintos parámetros del modelo mediante la comparación directa con los datos de observación.
El componente bayesiano del estudio permitió a los investigadores derivar nuevos límites para las propiedades de la materia de las estrellas de neutrones, demostrando que se aproximan al denominado comportamiento conforme cerca de los núcleos de las estrellas de neutrones estables más masivas.
Joonas Nättilä, uno de los autores principales del artículo, describe el trabajo como un esfuerzo interdisciplinar que requirió conocimientos de astrofísica, física nuclear y de partículas, así como de informática: "Resulta fascinante ver concretamente cómo cada nueva observación de estrellas de neutrones nos permite deducir las propiedades de la materia de ellas con una precisión cada vez mayor".
Por su parte Joonas Hirvonen, estudiante de doctorado que trabaja bajo la dirección de Nättilä y Vuorinen, destaca, por otro lado, la importancia de la informática de alto rendimiento: “Tuvimos que utilizar millones de horas de CPU de supercomputadora para poder comparar nuestras predicciones teóricas con las observaciones y limitar la probabilidad de que existieran núcleos de materia de quarks. ¡Estamos muy agradecidos al centro finlandés de supercomputadoras CSC por brindarnos todos los recursos que necesitábamos!”
Información facilitada por la Universidad de Helsinki
Referencia: Annala, E., Gorda, T., Hirvonen, J. et al. Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars. Nature Communications (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44051-y
