¿Son extrañas las estrellas de neutrones?

El estado de la materia en el interior de las estrellas de neutrones, el ultradenso remanente de estrellas colapsadas, es todavía uno de los más grandes enigmas sin resolver de la astrofísica. Investigadores del Instituto Max Planck de Astrofísica, junto con colegas de las universidades de Frankfurt, Heidelberg y Jena realizan simulaciones por computadora de las violentas colisiones de tales estrellas para determinar las señales que podrían ayudar a desentrañar este misterio.

Los núcleos atómicos de toda la materia conocida se componen de protones cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros. Ambos están a su vez constituidos por los componentes más fundamentales, los quarks. En los neutrones y los protones sólo los dos más ligeros de los seis tipos de quarks identificados están presentes, sus nombres son "arriba" y "abajo". Con el fin de producir los otros quarks en experimentos terrestres, los físicos utilizan máquinas aceleradoras tan grandes como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del laboratorio europeo de física de partículas, CERN, cerca de Ginebra, que ha empezado a funcionar recientemente. En el LHC, por ejemplo, los protones son acelerados a velocidades muy cercanas a la de la luz y luego llevados a la colisión. Durante momentos muy breves las colisiones de esas partículas generan condiciones que se produjeron en los inicios del universo, fracciones de segundo después del Big Bang.

No se puede excluir que también en el universo actual existan quarks diferentes de los tipo arriba y abajo, en particular el quark extraño, que es más masivo que sus parientes más ligeros y por lo general decae rápidamente al quark nucleónico energéticamente preferido. Sin embargo, debido a las interacciones entre los quarks, los objetos pueden contener no sólo quarks arriba y abajo, sino también los quarks extraños. Un estado de menor energía hace que tales objetos sean más estables que en los núcleos atómicos. Podrían existir como grupos pequeños de unos pocos cientos de nucleones, denominados strangelets, y podrían propagarse como los rayos cósmicos a través del espacio interestelar. Los quarks extraños también podrían estar presentes en el interior de las estrellas de neutrones, los objetos más densos conocidos, que son los restos extremadamente compactos del colapso de estrellas masivas. Estas reliquias estelares, entonces, podrían no ser estrellas de neutrones, sino estrellas extrañas. Estos objetos exóticos tendrían 1,5 veces la masa solar y un radio de 10 kilómetros. Con una masa similar a la de las estrellas de neutrones, serían más compactas que estas últimas, lo cual podría ser una propiedad característica para su identificación. Por lo tanto, en contraste con las estrellas de neutrones, su materia no sólo estaría solicitada por las fuerzas gravitacionales, sino por la fuerte interacción de los quarks, que también serían la causa de ser su superficie más aguda que la de las estrellas de neutrones.

Los astrónomos están realizando intensas búsquedas para encontrar estas estrellas extrañas. Su descubrimiento causaría sensación. Esto significaría que el estable, exótico estado de la materia compuesto de quarks extraños realmente existe. Lamentablemente, la identificación de estrellas extrañas es muy difícil: hasta ahora las masas de sólo unas pocas estrellas de neutrones en sistemas binarios han sido medidas con exactitud, y sus radios no se conocen o pueden estimarse sólo con gran incertidumbre. Los datos conocidos no dan una buena restricción de la solidez de las estrellas.

Un equipo de astrofísicos del Instituto Max Planck de Astrofísica y de la Universidad de Jena, junto con los físicos nucleares de las universidades de Frankfurt y Heidelberg se ha propuesto una alternativa para descubrir la existencia de estrellas extrañas. Para ello, el equipo llevó a cabo simulaciones por computadora para determinar las señales observables que se producen por la colisión de dos estrellas de materia extraña en un sistema binario. Los sistemas binarios de estrellas no existen para siempre.

Con las masas en movimiento el sistema radia ondas gravitacionales, perturbaciones del espacio-tiempo, las cuales son predecidas por la teoría de la relatividad general de Einstein y se propagan como ondas a través de la tela del espacio-tiempo. Radiando ondas gravitacionales, las estrellas que giran pierden energía y así poco a poco se aproximan una a la otra. Están en órbita una alrededor de la otra más y más rápido, lo que irradia más y más olas de gravedad, hasta que chocan en una catástrofe final (Figuras 1 y 2). Cuando esto sucede, se produce un poderoso estallido de ondas gravitatorias, que luego desaparece cuando las vibraciones violentas del remanente de fusión gradualmente disminuyen y el objeto superpesado compacto tarde o temprano colapsa en un agujero negro. Los modelos de computadora del equipo demuestran que una variedad de propiedades de la señal de ondas gravitatorias de tal evento de fusión son adecuados para discriminar si las binarias que chocan son estrellas de neutrones o estrellas extrañas.

Las estimaciones dicen que estas colisiones cósmicas de dos estrellas, compuestas de materia de neutrones o materia extraña, pueden pasar como máximo una vez cada 10.000 años en una galaxia como la Vía Láctea. Es una probabilidad demasiado baja para esperar que tal acontecimiento suceda en nuestra vecindad cósmica. Sin embargo, las grandes antenas de ondas gravitacionales, como el instrumento GEO600 cerca de Hannover, que es operado por el Instituto Max Planck de Física Gravitacional, o la instalación de LIGO en Estados Unidos se actualizarán en unos pocos años a una sensibilidad que les permita captar aun las señales débiles del cúmulo de galaxias de Virgo, una concentración de varios miles de galaxias a una distancia de 65 millones de años luz.

Incluso entonces, la medición de tales señales de ondas gravitacionales requerirá un poco de suerte. Por lo tanto, es bueno que el equipo de investigadores haya señalado otra posibilidad interesante. Los accidentes cósmicos entre estrellas también dan lugar a la eyección de masa hacia el medio ambiente estelar. Si las estrellas extrañas que colisionan no son muy compactas, varias masas terrestres se pueden agregar como pequeñas pepitas de materia extraña al flujo de partículas cósmicas que impregnan el espacio interestelar (Figura 2). Con el experimento "Espectrómetro Magnético Alfa" (AMS-02), que será instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS) el próximo año, se buscarán los strangelets que llegan a la Tierra dentro de este flujo de rayos cósmicos. Sería un gran resultado si AMS-02 puede encontrar algunos indicios de su existencia. Pero incluso si esto no ocurre, los modelos de astrofísica y física nucleares les permitirá extraer de las mediciones restricciones importantes sobre las posibles propiedades de las estrellas extrañas. En cualquier caso, los investigadores esperan con gran emoción el momento en que el nuevo experimento vaya camino a la ISS.

Figura 1: Cuatro fotos de la colisión de dos estrellas de neutrones inicialmente frías en un sistema binario. La evolución simulada en computadora cubre sólo 0,02 segundos, en los que las dos estrellas se aproximan entre sí con rapidez debido a la emisión de ondas gravitacionales (arriba izquierda), chocan (arriba derecha), se fusionan (inferior izquierda), y forman una densa estrella de neutrones superpesada rodeada por un largo, más diluido halo de gas caliente (inferior derecha). Los colores representan la temperatura de los gases con esta codificación: color azul para el gas "frío" hasta unos 15 mil millones de grados, y color verde para temperaturas de 30 a 40 mil millones de grados.

Fig. 2: Al igual que con las estrellas de neutrones en la figura 1, dos estrellas de materia de quarks extraños se aproximan rápidamente una a la otra durante sus órbitas finales y se combinan rápidamente en un remanente rotativo superpesado, que después de un corto período de vibraciones violentas colapsará convirtiéndose en un agujero negro. Diferente del caso de una estrella de neutrones, se observan dos delgados y largos brazos espirales, cuya estructura está determinada por las propiedades especiales de la materia de quarks extraños. Alguna materia extraña es despojada de las puntas de las colas de marea y se inyecta como strangelets en el espacio interestelar. Con el tiempo, puede llegar a la tierra y ser capturada en los experimentos en la Estación Espacial Internacional.

Más información en:
Are Neutron Stars Strange?

Imagen de cabecera:
• Imagen de cabecera: Estrella de neutrones. Visión artística. Crédito: NASA. HST/STSci.
• Las dos figuras 1 y 2: Crédito: Instituto de astrofísica Max Planck.