¿Son posibles las estrellas Quark?

Una estrella de neutrones puede ser del tamaño de la ciudad con una masa mayor que la del sol. Una estrella de quark teórica sería aún más densa.

Crédito: NASA / Goddard Space Flight Center

Paul Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio y científico en jefe en el centro de ciencias COSI . Sutter también es el anfitrión de Ask a Spaceman y Space Radio , y lidera AstroTours en todo el mundo.

Tu cuerpo está hecho de células. Acércate a esas celdas, y encontrarás un grupo de moléculas, que están compuestas de átomos. Concéntrate en los núcleos de esos átomos, y verás los protones y neutrones. Rompe uno de esos abiertos, y saca los quarks, los bits fundamentales diminutos que se combinan de maneras interesantes para formar las partículas más pesadas y más familiares que conforman nuestra experiencia cotidiana.

Cuando encuentras un objeto sólido, la mayor parte de su solidez se debe a la repulsión electrostática entre los átomos. Si presionas una roca, los átomos resisten cualquier compresión adicional, y no puedes empujar más fuerte, hasta un punto. Si empujas muy, muy duro, puedes forzar los núcleos y fusionar nuevos elementos , pero ese es otro artículo También puede encontrar extrañas fuentes de presión en situaciones inesperadas. Por ejemplo, si tomas una nube de electrones aleatorios y la enfrascas en el cero absoluto (sé que eso no es posible, pero esto es un experimento mental, así que trabaja conmigo aquí), esperarías que la presión baje a cero, también. Después de todo, es solo un gas, donde la presión está relacionada con la temperatura. Pero, en cambio, la naturaleza juega un truco, y te encontrarás siendo resistido con la misma fuerza, si no más, que si estuvieras tratando de apretar una piedra.

El humildemente degenerado

Esa presión proviene de una peculiaridad inesperada de la mecánica cuántica. Hay dos tipos de bloques de construcción fundamentales en el universo: fermiones (como electrones y quarks) y bosones (piense en fotones). Y la única propiedad que separa los componentes del cosmos en esos dos campos es cómo se comportan cuando intentamos combinar sus estados cuánticos. Este término, "estado cuántico", simplemente se refiere a la lista de números que usamos para describir una partícula en un sistema particular: su nivel de energía, momento angular, orientación de espín , y así sucesivamente.

Y resulta que no hay dos fermiones que puedan ocupar el mismo estado cuántico: nunca pueden compartir el mismo conjunto de números cuánticos descriptivos en un sistema, mientras que los bosones son completamente libres de hacerlo. Al principio, esto era solo una regla de naturaleza postulada basada en evidencia experimental, pero sus orígenes están en el vínculo entre la mecánica cuántica y la relatividad especial ... y ese es otro artículo más.

Esto significa que, si aprietas dos fermiones juntos en el cero absoluto, ambos fermiones no pueden ocupar el mismo estado fundamental de energía cero. Uno debe tener una configuración diferente, como una energía más alta o una orientación de giro diferente, que la otra. Simplemente no hay forma de evitarlo: está integrado en la configuración básica de nuestro universo. Eso significa que un montón de electrones, incluso enfriados al cero absoluto, notendrán energía cero, y esa energía se manifestará como una presión que resiste un mayor colapso.

Incluso si no estás en el cero absoluto (porque nunca lo estarás), los electrones aún pueden tener una fuerte presión. Se dice que las partículas en este tipo de situación están en un estado "degenerado". Cuando esto sucede en la naturaleza, como en el núcleo de una estrella muerta, obtenemos una enana blanca .

Pero esa presión puede ser abrumada también. Si la gravedad es demasiado fuerte (específicamente, si la masa de la enana blanca excede el 140 por ciento de la masa del sol), la "presión de degeneración" del electrón no puede competir, y la enana blanca colapsa.

Neutrones al rescate

Pero no es un viaje en un solo sentido al colapso catastrófico y la ruina de una singularidad de agujero negro. Durante un evento de compresión masiva, los electrones pueden ser empujados dentro de cualquier protón errante, convirtiéndolos en neutrones adicionales. Con casi todo el material dentro de la estrella convertido en una densa sopa de neutrones, la presión de degeneración de neutrones previene un colapso adicional , capaz de formar un núcleo remanente un par de veces la masa del sol pero no más grande que una pequeña ciudad: un neutrón estrella .

Las estrellas de neutrones también tienen un límite de peso, pero ese número es un poco más difícil de precisar porque no estamos muy claros sobre la confusa física que ocurre en lo más profundo de sus núcleos. Pero tenemos una suposición aproximada, y es alrededor de tres veces la masa del sol. Si alcanza esa masa, algo tiene que ceder.

Entonces, ¿es eso ? ¿Un objeto masivo que se derrumba viaja en el tren directo desde una estrella de neutrones a un agujero negro, o hay otras paradas?

Quarks al rescate?

Si arrancas un montón de neutrones, obtienes una avalancha de quarks, que son fermiones en sí mismos y perfectamente capaces de crear una presión de degeneración, muchas gracias. Entonces, ¿puede existir esta hipotética estrella del quark ? ¿La naturaleza los fabrica? [ 7 Extraños hechos sobre Quarks ]

Teóricamente, es difícil de decir. Realmente no entendemos la física a nivel de quark muy bien. Parte del problema es que los quarks son tímidos y se niegan a ser vistos individualmente; solo están en grupos Por lo tanto, no podemos preguntarle a un solo quark qué es lo que le gusta hacer por diversión. Y la física de los quarks agrupados es tremendamente compleja: simplemente no sabemos si pueden formar estructuras estables a la escala que necesitamos.

Observacionalmente es difícil de decir, también. Desde el exterior y desde lejos (es decir, desde la Tierra), una estrella de quarks se parecería mucho a una estrella de neutrones: un objeto compacto masivo que arroja radiación y alberga campos magnéticos de locura. Puede haber diferencias pequeñas, casi inescrutables en su firma electromagnética, pero nada que sea fácil de detectar, de lo contrario, bueno, ya habríamos encontrado algunas. Y quizás las estrellas de neutrones en realidad alberguen un núcleo soportado por quark en sus centros, pero, como dije, no entendemos muy bien la física.

Si las estrellas de quark sí existen, deben ser muy raras, ya que es una ventana muy estrecha entre las condiciones necesarias para formar una estrella de neutrones de vainilla normal y un agujero negro lleno. Entonces, incluso si desciframos las matemáticas y descubrimos que las estrellas de quarks están técnicamente permitidas por las leyes conocidas de la física, es probable que la naturaleza en realidad no se preocupe por ellas, y al final no encontraremos ninguna.