Cómo distinguir estrellas de neutrones y estrellas de quarks con ondas gravitatorias

Dibujo20130725 quark star versus neutron star

Nadie sabe si las estrellas de quarks existen, pero se publica en Science un artículo que muestra cómo distinguirlas de las estrellas de neutrones cuando están en un sistema binario y emiten radiación como un púlsar de milisegundos. Una estrella compacta en rápida rotación emite pulsos de radiación de forma periódica debido a su intenso campo magnético. Los sistemas binarios formados por dos púlsares han permitido verificar de forma indirecta la existencia de ondas gravitatorias gracias a la reducción de su periodo de emisión. Kent Yagi y Nicolás Yunes (Univ. Estatal de Montana, EEUU) afirman que las estrellas compactas en rotación rápida se deforman de forma diferente según su composición y que ello afecta a su emisión como púlsares. El resultado es que el momento cuadripolar de la radiación de los púlsares binarios es diferente entre estrella de neutrones y estrellas de quarks. La variación del periodo de emisión de los púlsares de milisegundos además de permitir comprobar la validez de la relatividad general (Premio Nobel de Física de 1993) también podría permitir descubrir la existencia de las estrellas de quarks. Para ello habría que observar uno que violara, en apariencia, la relatividad general, pero que lo hiciera siguiendo las predicciones de este nuevo artículo. Toda una sorpresa para muchos. El artículo técnico es Kent Yagi, Nicolás Yunes, “I-Love-Q: Unexpected Universal Relations for Neutron Stars and Quark Stars,” Science 341: 365-368, 26 Jul 2013.

Dibujo20130725 I-LOVE-Q diagram - quark star versus neutron star

Yagi y Yunes proponen usar este diagrama, al que llaman I-Love-Q, porque se basa en la teoría de Love para las mareas gravitatorias, para distinguir entre las estrellas de neutrones y las hipotéticas estrellas de quarks. La masa y el radio de una estrella compacta, sea una estrella de neutrones o una hipotética estrella de quarks, depende de la ecuación de estado de la materia nuclear a muy altas densidades (recuerda que la ecuación de estado relaciona la densidad de energía ρ con la presión p). Una estrella en rotación a alta velocidad se caracteriza por su momento de inercia y por su deformabilidad, esta última determinada por su momento cuadripolar y por el llamado número de marea de Love. En la actualidad las medidas astrofísicas no permiten distinguir entre estrellas de neutrones y estrellas de quarks (si existen) observadas de forma individual. Sin embargo, en sistemas binarios cuando se comportan como púlsares, la variación de su periodo en el diagrama I-Love-Q muestra una diferencia que podría permitir su descubrimiento. Buenas noticias a los amantes de la idea de las estrellas de quarks, cuya materia “extraña” (formada por quarks arriba, abajo y extraños) ha conmovido la imaginación de muchos escritores de ciencia ficción.

En este blog también puedes leer “Estrellas de quarks, entre la hipótesis y la realidad (o el caso de la supernova SN2006gy),” 20 julio 2008, y “El misterio del remanente de la supernova SN 1987A: quizás es una estrella de quarks,” 29 marzo 2009.

PS: En los comentarios SantaKlaus habla sobre el límite máximo para la masa de una estrella de neutrones. Todavía no lo sabemos. Estas estrellas están formadas por capas y la ecuación de estado exacta para su núcleo todavía no es conocida. Las estimaciones teóricas apuntan a una masa máxima del orden de 2,1 masas solares. Las dos estrellas de neutrones con mayor masa entre las conocidas están en un sistema binario acompañadas de una estrella enana blanca, lo que facilita la estimación de su masa, en los púlsares PSR J1614-2230 y PSR J0348+043, con masas de 1,97 ± 0,04 y 2,01 ± 0,04, resp. Por ello se cree que el límite de 2,1 masas solares es bastante razonable.

Dibujo20130726 Schematic view of the composition of a neutron star

En cuanto a las (hipotéticas) estrellas de quarks el límite máximo para su masa se estima en unas 2,5 masas solares, aunque la incertidumbre es tan grande que podría estar entre 2 y 3 masas solares. Por ejemplo, B. Franzon et al., “Cold Quark Matter in Compact Stars,” AIP Conf. Proc. 1520: 382-384, 2013, estiman el siguiente diagrama masa versus radio para las estrellas de quarks.

Dibujo20130726 mass - radius diagram for hypothetical quark stars

En este campo las estimaciones son muy complicadas. Gracias a los experimentos sobre el plasma de quarks y gluones poco a poco se irá desvelando la física de las estrellas de quarks (si es que pueden llegar a existir).

13 pensamientos en “Cómo distinguir estrellas de neutrones y estrellas de quarks con ondas gravitatorias

  1. Muy, pero muy interesante, con los datos que se obtienen es posible distinguir estas diferentes estrellas por sus características fundamentales que las hacen únicas.

  2. Si vamos acretando materia sobre una estrella de neutrones ¿los neutrones degenerarán y obtendremos una estrella de quarks o pasaremos directamente a un agujero negro al sobrepasar la masa máxima de una de neutrones (unas 2.5 masas solares)? ¿Es posible que los agujeros negros sean en realidad estrellas de quarks? (los defensores de la teoría de cuerdas se tirarían de los pelos).

    • Santaklaus, primero lo fácil, “¿es posible que los agujeros negros sean en realidad estrellas de quarks?” Como todos los tipos de estrellas hay un límite máximo para la masa de una estrella de quarks (no se sabe bien cuál es pero se cree que es sólo un poco mayor que la de una estrella de neutrones y que está entre 2 y 3 masas solares). Por tanto, los agujeros negros con más de 5 masas solares (por poner un número) no pueden ser estrellas de quarks. Se ha propuesto las llamadas “estrellas oscuras” (black stars) de una materia desconocida que podrían ser los agujeros negros, pero nadie sabe de qué materia podrían estar hechas y los discos de acreción de una estrella compacta (sea del tipo que sea) son diferentes de los de un agujero negro y esta diferencia (ahora mismo díficil de medir) podrá decidir esta cuestión en un futuro no muy lejano.

      Lo segundo, “si vamos acretando materia sobre una estrella de neutrones ¿obtendremos una estrella de quarks o a un agujero negro?” El límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff para una estrella de neutrones es de poco más de 2 masas solares (no llega a 2,5 masas solares). Por encima de, pongamos, unas 5 masas solares una estrella compacta colapsa en un agujero negro. Pero la banda difícil, pongamos entre 2,5 y 4 masas solares es una gran desconocida. No soy experto, pero que yo sepa aún no se conoce bien el proceso de acreción en materia en la estrella de neutrones y si hay alguna ruta (emisiones de materia de la estrella o del disco) que evite el colapso por acreción. Por colisión de dos estrellas de neutrones se puede producir el colapso. Pero por acreción, en principio debería ser posible, pero que yo sepa nadie sabe aún la respuesta con seguridad.

      • En aras de la completitud, hay también quien ha propuesto alternativas al agujero negro. “Bosonic stars” o estrellas de “bosones” (esencialmente un condensado de gravitones y similares) se han propuesto como alternativa al escenario de la Relatividad General Estándar. ¿Son en realidad los agujeros negros condensados de algún tipo de bosones y/o fermiones? Sin gravedad cuańtica, no hay respuesta seria a esta pregunta.

  3. ¿Cómo distinguir entre unicornios blancos y los hipotéticos unicornios dorados?
    A ver cuánto tardan en dejar de ser “hipotéticos”. Si se buscan se encuentran, ya verás.
    Epiciclos everywhere.

  4. Las estrellas de neutrones constituyen un desafío por ser poco conocidas. Se da por cierto que son subproductos de la explosión de supernovas, pero llamarlas estrellas de neutrones es engañoso o al menos no es del todo exacto. Estos objetos están compuestos de neutrones, protones y electrones, en el núcleo de la estrella hay una sopa de neutrones y en sus capas más externas se hallan los protones y los electrones. Se cree que cuando los protones y electrones caen al núcleo pierden sus cargas por la tremenda presión que hay en él y se convierten en partículas neutras o neutronizadas y además se liberan neutrinos al espacio.

    Un aspecto intrigante de estos objetos es que en la sopa de neutrones éstos se repelen pese a que son partículas con carga nula, la repulsión hace que no se evaporen como un agujero negro. Quizá la cercanía de los neutrones a esas presiones tan grandes genera un campo magnético que hace que una estrella de neutrones estándar, que tiene dos veces la masa del sol, hace que choquen entre ellos. Pese a tener la masa de dos soles, el radio de esos objetos es de 10-20 kilómetros mientras que el radio del sol es de 700.000 kilómetros. Si ponemos una canica o boliche de 1 centímetro de radio en esas condiciones de densidad, pesaría la friolera de 4.000 millones de toneladas.

    Los neutrones y partículas neutronizadas que recorren el espacio pueden cumplir una función moderadora o amortiguadora del choque de la materia y la antimateria. Si corrientes de positrones y electrones se encuentran a lo largo del cosmos destruirían a su paso cualquier vestigio de materia bariónica. Es como si el lubricante de la maquinaria universal fuesen las partículas como los neutrones que, al menos, mantienen estable el porcentaje de la materia bariónica existente en el cosmos.

    • Artemio, deja de decir estupideces, ya te lo han dicho varias veces en este blog. Encima de soltar burrada tras burrada te niegas a aprender nada de Física elemental, ya te han dicho que los neutrones en libertad tienen una vida media de apenas 15 minutos. Mi consejo es que aprendas un poco de Física elemental antes de hablar de mecánica cuántica o relatividad, sino todo lo que vas a conseguir es confundir a muchos lectores copiando e interpretando erróneamente párrafos de la Wikipedia. Todos podemos especular y ofrecer nuestras opiniones sobre cualquier tema científico pero si no se tiene al menos una mínima base entonces solo se consigue un “diálogo de besugos” tipo cómic de Mortadelo y Filemón.

      • Si al menos dijera “estrellas oscuras” /estrellas hechas de materia oscura (dark stars) sería más razonable. Si la partícula más liviana de materia oscura es “estable” (como suponen algunos modelos), sería posible en principio que una estrella colapsara a un condensado de “dark stuff” (estrella oscura). Si al menos dijera “partículas neutras” (tipo WIMPs o similares), todavía podría tener algo de sentido. Sin embargo, detectar las WIMPs no es fácil, eso si existen, porque aún no hay nada… Indicios sólo, que podrían ser fluctuaciones estadísticas. Eso sí, mezclar neutrones, con neutrinos u otra partícula WIMP no es pertinente. Pero vamos, el problema no es nuestro, se le hemos comentado. Más peligrosos son otros trolls que andan a la chita callando asomando de nuevo la patita. Y eso que intentamos decirles las cosas como son. Pero vamos, frente a algunas actitudes, es imposible luchar…

      • Estamos en lo de siempre. Hablas de partículas con una vida media determinada, pero yo hablo de campos que proceden de fuentes que los generan de modo continuo. En las ofensas no entro, no me parecen argumentos científicos.

  5. Siempre es bueno saber esto, no vaya a ser que nos equivoquemos al escoger. Recuerden que el oro viene de la colisión entre estrellas de neutrones.

  6. Mijhail, supongo que traes a colación el artículo de Malen Ruiz de Elvira publicado en El País. Dice la periodista:

    “Los alquimistas lo tienen cada vez más difícil. El oro que existe en la Tierra (y en el resto del Universo) tuvo su origen, según los últimos datos, en cataclismos cósmicos difíciles de imaginar, concretamente en el proceso de formación de agujeros negros como consecuencia de la colisión de estrellas”.

    http://sociedad.elpais.com/sociedad/2013/07/17/actualidad/1374088512_812769.html

  7. Vale, supongo que Ruiz de Elvira y Daniel Marin beben de la misma fuente. Por cierto, tengo entendido que el precio del oro se ha desplomado ;-D

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