Más evidencia teórica de núcleos de materia de quarks en estrellas de neutrones masivas
Por: Johanna Pellinen, Universidad de Helsinki.
28 de diciembre de 2023
Impresión artística de las diferentes capas dentro de una estrella de neutrones masiva, donde el círculo rojo representa un núcleo considerable de materia de quarks. Crédito: Jyrki Hokkanen, CSC.
Los núcleos de las estrellas de neutrones contienen materia en las densidades más altas alcanzadas en nuestro Universo actual, con hasta dos masas solares de materia comprimidas dentro de una esfera de 25 km de diámetro. De hecho, estos objetos astrofísicos pueden considerarse como “núcleos atómicos gigantes”, cuya gravedad comprime sus núcleos a densidades que exceden en muchas veces las de los protones y neutrones individuales.
Estas densidades hacen que las estrellas de neutrones sean objetos astrofísicos interesantes desde el punto de vista de la física nuclear y de partículas. Un problema abierto desde hace mucho 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 neutrones individuales ya no existen. "Los quarks y gluones que los constituyen se liberan de su típico confinamiento de color y se les permite moverse casi libremente", explica Aleksi Vuorinen, profesor de física teórica de partículas en la Universidad de Helsinki.
En un nuevo artículo publicado en Nature Communications, un equipo liderado por la Universidad de Helsinki proporcionó por primera vez una estimación cuantitativa de la probabilidad de que haya núcleos de materia de quarks dentro de estrellas de neutrones masivas. Demostraron 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 sitúa la probabilidad en el rango del 80-90%.
La pequeña probabilidad restante de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas únicamente de materia nuclear requiere que el cambio de materia nuclear a materia de quarks sea una fuerte transición de fase de primer orden, algo 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 tiene el potencial de desestabilizar la estrella de tal manera que la formación de incluso un minúsculo núcleo de materia de quarks provocaría que la estrella colapsara en un agujero negro.
La colaboración internacional entre científicos de Finlandia, Noruega, Alemania y Estados Unidos pudo demostrar aún más cómo algún día la existencia de núcleos de materia de quarks podría confirmarse o descartarse por completo. La clave es poder limitar la fuerza de la transición de fase entre la materia nuclear y la materia de quarks, que se espera sea posible una vez que algún día se registre una señal de onda gravitacional de la última parte de una fusión binaria de estrellas de neutrones.
Un ingrediente clave para obtener los nuevos resultados fue un conjunto de cálculos masivos de supercomputadoras que utilizan la inferencia bayesiana, una rama de la deducción estadística en la que se infieren las probabilidades de diferentes parámetros del modelo mediante comparación directa con 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 acercan al llamado comportamiento conforme cerca de los núcleos de las estrellas de neutrones estables más masivas. Los investigadores señalan la importancia del Centro Finlandés de Supercomputadoras, ya que tras utilizar millones de horas de CPU de supercomputadora, les permitió comparar sus predicciones teóricas con las observaciones y limitar la probabilidad de que existieran núcleos de materia quark.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-12-evidence-quark-matter-cores-massive-neutron.html