Las fusiones de estrellas de neutrones pueden producir materia de quarks

Cuando las estrellas de neutrones bailan juntas, el gran final que presencian puede crear la forma de materia más densa conocida en el universo. Se llama «materia de quarks» y es una mezcla muy extraña de quarks y gluones liberados. No está claro si la sustancia estaba presente en sus núcleos antes del final de su danza. Sin embargo, tras la fusión de una estrella de neutrones, condiciones extrañas pueden liberar quarks y gluones de protones y neutrones. Esto le permite moverse libremente tras la estela. Por lo tanto, los investigadores quieren saber con qué libertad se mueven y qué condiciones podrían impedir su movimiento (o flujo).

Estas extrañas estrellas están compuestas de extraños y extremadamente densos cúmulos de neutrones. Entonces, cuando dos de ellos bailan y se fusionan, su forma cambia bajo la presión de la fusión. Su temperatura también aumenta. Las condiciones eventualmente cambian los estados de la materia en sus núcleos. Según el profesor Alexei Voorinen de la Universidad de Helsinki en Finlandia, esto es lo que los astrónomos creen que sucede durante la fusión de estrellas de neutrones. Sin embargo, señala que nadie comprende completamente estas condiciones y cómo se comportan los quarks en ellas. «Describir las fusiones de estrellas de neutrones es un desafío particular para los teóricos porque todas las herramientas teóricas tradicionales parecen fallar de una forma u otra en estos regímenes realmente extremos y dependientes del tiempo», dijo.

¿Cómo las colisiones de estrellas de neutrones involucran quarks?

En el zoológico cósmico, las estrellas de neutrones se encuentran entre los seres vivos más extraños. Son restos altamente magnéticos de estrellas antiguas y masivas que murieron en explosiones de supernovas. El catastrófico colapso de la estrella moribunda crea una bola sólida de neutrones donde una vez estuvo el núcleo de la estrella. Algunos de ellos giran muy rápidamente y envían señales al espacio. El púlsar de la Nebulosa del Cangrejo es un buen ejemplo de tal objeto. Su corazón gira unas 30 veces por segundo y su señal aparece como latidos regulares en frecuencias de radio, longitudes de onda gamma y rayos X. Por eso se llama «púlsar».

Cuando las estrellas de neutrones se fusionan, obviamente se mezclan y mezclan sus contenidos. Los investigadores quieren conocer la viscosidad del material resultante de la fusión. Básicamente, esto será una medida de qué tan bien las interacciones de las partículas resisten el flujo. O considérelo como una medida de cuán “viscoso” es el flujo de la sopa de quarks. Una sopa de quark espesa fluirá más lentamente, mientras que una sopa de quark fina fluirá más rápido. La idea es comprender las condiciones y qué hacen para afectar el flujo de quarks durante la fusión.

Teorías sobre los quarks pegajosos

Los investigadores quieren determinar la llamada «viscosidad total» del material formado durante las fusiones de estrellas de neutrones. Básicamente, la viscosidad total describe la pérdida de energía cuando el sistema involucrado en la fusión se somete a oscilaciones radiales. Explican cómo cambia la densidad de quarks y gluones de forma regular y periódica. Fornin y sus colegas se propusieron determinar la viscosidad general de la materia quark implicada en tal colisión. Estudiaron el problema utilizando dos enfoques teóricos, uno que invoca los principios de la holografía y el otro basado en un estudio de campo cuántico llamado teoría de la perturbación.

Esencialmente, el enfoque holográfico analiza el problema de la materia de los quarks como un factor de la densidad y las temperaturas que se producen durante las colisiones de estrellas de neutrones. El equipo está interesado en lo que se llama «cromodinámica cuántica». Es el estudio de las interacciones entre quarks y gluones en la materia creada por la colisión.

La teoría de la perturbación analiza la fuerza de las interacciones entre esas partículas. Al aplicar ambos métodos, el equipo pudo determinar la viscosidad general, es decir, la «pegajosidad» del material de quark. Luego, pudieron descubrir que su viscosidad se producía a temperaturas más bajas de lo esperado. Es un gran paso adelante en la comprensión del comportamiento de la materia de las estrellas de neutrones durante la fusión. El profesor universitario Niko Jokela añade: «Estos resultados también pueden ayudar a explicar futuras observaciones. Por ejemplo, podemos buscar efectos viscosos en futuros datos de ondas gravitacionales, y su ausencia puede revelar la formación de materia de quarks en fusiones de estrellas de neutrones».

Utilizando la física y la teoría cuántica para profundizar en la estrella de neutrones

Nadie ha entrado nunca en el extraño universo dentro de una estrella de neutrones. Sin embargo, debe ser uno de los lugares más inusuales del universo. Como se mencionó, están compuestos simplemente de neutrones, combinaciones de protones y electrones. A diferencia de la mayoría de las estrellas, no irradian calor y el calor restante que contienen se disipa con el tiempo. Estos ovnis tienen campos magnéticos extremadamente fuertes.

Las estrellas de neutrones son increíblemente densas. Sólo una pequeña cantidad de su materia (aproximadamente del tamaño de una billetera normal) pesa alrededor de 3 mil millones de toneladas. Esto convierte a estas extrañas estrellas en los segundos objetos más densos del universo, después de los agujeros negros supermasivos. Los astrónomos y los físicos de partículas están interesados ​​en ellos porque pueden proporcionar información sobre temas como la superconductividad, el comportamiento de los fluidos densos y un tema llamado cromodinámica cuántica. El estudio de las colisiones de estos objetos extremadamente densos también proporciona información sobre el crecimiento de estos objetos después de su formación original en catastróficas explosiones de supernovas.

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