Nueva evidencia respalda la existencia de núcleos de materia de quarks en estrellas de neutrones

Los núcleos de las estrellas de neutrones contienen materia con la mayor densidad jamás alcanzada en nuestro universo actual, con hasta dos masas solares de materia comprimidas en una esfera de 25 kilómetros de diámetro. En realidad, estos objetos astrofísicos pueden considerarse como núcleos atómicos gigantes, cuya gravedad comprime sus núcleos hasta alcanzar densidades que exceden la densidad de los protones y neutrones individuales en varios órdenes de magnitud.

Estas densidades hacen que las estrellas de neutrones sean objetos astrofísicos interesantes desde el punto de vista de la física de partículas y la física nuclear. Existe un problema abierto desde hace mucho tiempo sobre si la enorme 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 extraño estado de la materia, los protones y neutrones individuales ya no existen.

«En cambio, los quarks y los gluones que los constituyen son liberados de su típico confinamiento de color y se les permite moverse casi libremente», explica Alexei Vuorinen, profesor de física teórica de partículas en la Universidad de Helsinki.

Un fuerte cambio de fase todavía puede arruinar el día

En un nuevo artículo recién publicado en Nature Communications, un equipo de la Universidad de Helsinki proporciona la primera estimación cuantitativa de la posibilidad de que existan núcleos de quarks dentro de estrellas de neutrones masivas. Demostraron que, basándose en observaciones astrofísicas actuales, la materia de quarks es casi inevitable en las estrellas de neutrones más masivas: la estimación cuántica que derivó el equipo sitúa la probabilidad en el rango del 80-90%.

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La pequeña posibilidad restante de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas únicamente de materia nuclear requiere que la transición de materia nuclear a materia de quarks sea una fuerte transición de fase de primer orden, algo así como el 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 un pequeño núcleo de materia de quarks haga que la estrella colapse en un agujero negro.

Una colaboración internacional entre científicos de Finlandia, Noruega, Alemania y Estados Unidos pudo demostrar cómo algún día se podría confirmar o descartar por completo la existencia de núcleos de materia de quarks. La clave es la capacidad de limitar la fuerza de la transición de fase entre la materia nuclear y la materia de quarks, lo que se espera que sea posible una vez que algún día se registre una señal de onda gravitacional de la parte final de una fusión binaria de estrellas de neutrones.

La enorme supercomputadora funciona con datos de vigilancia

El elemento clave para sacar las nuevas conclusiones fue un conjunto de cálculos masivos de supercomputadoras que utilizan la inferencia bayesiana, una rama de la inferencia estadística en la que se infieren las probabilidades de varios parámetros del modelo mediante comparación directa con datos de observación. El componente bayesiano del estudio permitió a los investigadores derivar nuevos límites en las propiedades de la materia de las estrellas de neutrones, mostrándoles cómo acercarse al llamado comportamiento conforme cerca de los núcleos de estrellas de neutrones más estables.

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El Dr. Jonas Natella, uno de los autores principales de este artículo, describe el trabajo como un esfuerzo interdisciplinario que requiere experiencia en astrofísica, física de partículas y física nuclear, así como en informática. Está a punto de asumir su puesto como profesor asociado en la Universidad de Helsinki en mayo de 2024.

«Es fascinante ver concretamente cómo cada nueva observación de una estrella de neutrones nos permite inferir las propiedades de la materia de las estrellas de neutrones con una precisión cada vez mayor».

Por otro lado, Jonas Hirvonen, estudiante de doctorado que trabaja bajo la supervisión de Nattila y Vuorinen, enfatiza 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 posibilidad de la existencia de núcleos de quarks. Estamos muy agradecidos al Centro Finlandés de Supercomputación CSC por proporcionarnos todos los recursos. ¡nosotros necesitamos!»

Publicación original: Annala, E., Jorda, T., Hirvonen, J. et al. La materia que interactúa fuertemente muestra un comportamiento ilimitado en las estrellas de neutrones masivas. Nat Comuna 14, 8451 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44051-y

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