Descubren un nuevo tipo de materia dentro de las estrellas de neutrones

Lo que existe dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones más grandes es un nuevo tipo de materia, conocida como "materia de quark", diferente de la materia nuclear ordinaria, en la que los núcleos prácticamente ya no existen.

Lo ha descubierto un equipo de investigadores de la Universidad de Helsinki, que en un artículo publicado en Nature Physics, aseguran haber encontrado evidencia de la existencia de quarks exóticos dentro del núcleo de estas estrellas.

La materia de quarks que es más estable que la materia nuclear. Se forma cuando la materia nuclear (hecha de protones y neutrones) se comprime más allá de su densidad crítica.

En ese momento, los protones y neutrones se disocian en los quarks que la componen y convierten a la materia en indestructible: así se forma la materia de quarks, el verdadero estado fundamental de la materia, también llamada materia extraña.

La materia extraña es la forma menos conocida de materia, después de la materia oscura, la antimateria o la materia exótica. Es completamente diferente de todas, pues no se ajusta a las leyes de la física.

Este tipo de materia fue propuesto por primera vez en 1978 por dos científicos del MIT, tras realizar un análisis teórico del núcleo de una estrella de neutrones.

Un nuevo viaje realizado directamente al corazón de una estrella de neutrones ha confirmado ahora esta suposición.

Materia intensamente densa

Lo han confirmado los científicos finlandeses combinando resultados recientes de partículas teóricas y física 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 comprenden protones y neutrones, están rodeados de electrones cargados negativamente.

Sin embargo, dentro de las estrellas de neutrones, la materia atómica se colapsa en materia nuclear inmensamente densa: los neutrones y protones están tan juntos que la estrella entera puede considerarse un solo núcleo enorme.

La respuesta es sí

Hasta ahora, no ha quedado claro si dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones más masivas, la materia nuclear colapsa en un estado aún más exótico llamado materia de quark, en el que los núcleos ya no existen.

Investigadores de la Universidad de Helsinki afirman que la respuesta a esta pregunta es sí.

"Confirmar la existencia de núcleos de quark dentro de las estrellas de neutrones ha sido uno de los objetivos más importantes de la física de la estrella de neutrones desde que esta posibilidad se planteó por primera vez hace aproximadamente 40 años", señala uno de los descubridores, Aleksi Vuorinen, del Departamento de Física de la Universidad de Helsinki, en un comunicado.

Existencia muy probable

Para confirmarlo, los investigadores aportaron un nuevo enfoque a la cuestión del destino de la materia nuclear dentro de las estrellas de neutrones, que incluso simulaciones a gran escala ejecutadas en superordenadores nunca habían podido determinar.

Apreciaron que, al combinar hallazgos recientes de partículas teóricas y física nuclear con mediciones astrofísicas, podría ser posible deducir las características y la identidad de la materia que reside dentro de las estrellas de neutrones.

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 quarks que a la materia nuclear ordinaria.

Los cálculos indican que, en estas estrellas, el diámetro del núcleo identificado como materia de quark puede exceder la mitad del diámetro de toda la estrella de neutrones.

Cuestiones pendientes

Sin embargo, Vuorinen señala que todavía hay mucha incertidumbre asociada con la estructura exacta de las estrellas de neutrones. ¿Qué significa afirmar que la materia del quark casi seguramente ha sido descubierta?

“Todavía hay una pequeña pero diferente probabilidad de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas solo de materia nuclear. Sin embargo, lo que hemos podido 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”, explica Vuorinen.

Combinación de datos

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 nuevo análisis, las observaciones astrofísicas se combinaron con resultados teóricos de vanguardia de partículas y física nuclear.

Con más observaciones esperadas en el futuro cercano, las incertidumbres asociadas con los nuevos resultados también disminuirán automáticamente.

"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", concluye Vuorinen.

Referencia

Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars. Eemeli Annala et al. Nature Physics  (2020).  DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-020-0914-9