Investigadores finlandeses ha encontrado sólidas pruebas de la existencia de un tipo de materia que hasta ahora había sido simplemente teórico en el Universo.

Se trata de «materia exótica de quark» y se encuentra en el interior de las mayores estrellas de neutrones que existen. El hallazgo, que se acaba de publicar en «Nature Physics», se produjo al combinar recientes resultados de estudios de física de partículas y nucleares con mediciones de ondas gravitacionales generadas, precisamente, por esta clase de cadáveres estelares.

Toda la materia que nos rodea está formada por átomos, con densos núcleos en sus centros hechos de protones y neutrones. Los núcleos atómicos están rodeados por una nube de electrones de carga negativa, y en la inmensa mayoría de los materiales existe una considerable distancia entre un átomo y el contiguo.

Pero eso es solo el estado «normal» de la materia. En condiciones extremas, la gravedad puede llegar a hacer que los átomos se acerquen unos a otros hasta el punto de perder sus electrones. Y aún más allá, incluso a conseguir que los propios núcleos, ahora desnudos, se junten para dar forma a una materia extraordinariamente densa.

Uno de los lugares más extremos del Universo

Lo cierto es que en el Universo existen pocos lugares más extremos que las estrellas de neutrones. Se trata de auténticos «cadáveres estelares» que se forman cuando una estrella que en origen era varias veces mayor que el Sol agota su combustible, el que le permite seguir ardiendo.

La energía generada por la fusión nuclear en los núcleos de las estrellas es la única fuerza capaz de oponerse a la presión gravitatoria, que trata de comprimirlas. Y cuando el combustible que mantiene el horno de fusión encendido se termina, nada puede oponerse a la gravedad, que empieza a aplastar a la estrella.

Al final, lo que era una bola ardiente de gas con un radio de millones de kilómetros (el radio de la gigante Betelgeuse, por ejemplo, es de 617 millones de km) queda aplastado y reducido a una densa bola de materia súper comprimida de cerca de una decena de kilómetros. Una cucharadita de café llena de esa materia pesaría más que el monte Everest.

Un núcleo atómico de decenas de kilómetros de materia

Los científicos saben que dentro de las estrellas de neutrones, la materia atómica se colapsa en materia nuclear inmensamente densa, en la que protones y neutrones están tan juntos que la estrella entera, o lo que queda de ella, podría considerarse como un enorme y único núcleo atómico.

Muchos, sin embargo, llevaban décadas preguntándose si en el interior más profundo de las estrellas de neutrones la materia podría colapsar aún más, hasta un hipotético y exótico estado llamado «materia de quark», en la que los propios protones y neutrones se han dividido en sus piezas fundamentales (cada uno está formado por tres quarks) formando una sopa ultra densa en la que ni siquiera las partículas que formaban los núcleos atómicos pueden ya existir. Y ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Helsinki afirma que la respuesta a esa pregunta es un rotundo sí.

«Confirmar la existencia de núcleos de quark dentro de las estrellas de neutrones -asegura Aleksi Vuorinen, uno de los autores del artículo- ha sido uno de los objetivos más importantes de la física de estrellas de neutrones desde que esta posibilidad se planteó por primera vez hace aproximadamente 40 años».

Un enfoque totalmente nuevo sobre la materia

A día de hoy, no existen simulaciones informáticas a gran escala capaces de determinar el destino de la materia nuclear dentro de una estrella de neutrones. Pero aún así, los investigadores finlandeses consiguieron obtener resultados gracias a un enfoque del problema completamente nuevo.

De hecho, se dieron cuenta de que al combinar recientes hallazgos sobre partículas teóricas y física nuclear con las mediciones observacionales, era posible deducir las características y la identidad de la materia que reside en el corazón de las estrellas de neutrones. O por lo menos en las más estables y masivas.

En ellas, en efecto, la materia interna de la estrella se parece mucho más a la materia de quarks que a la materia nuclear ordinaria. Los cálculos indican que en esas estrellas el diámetro del núcleo identificado como materia de quark puede llegar a ser superior a la mitad del diámetro total de toda la estrella de neutrones.

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Sin embargo, Vuorinen señala que hay todavía muchas incertidumbres asociadas a la estructura exacta de las estrellas de neutrones. Nadie, de hecho, ha podido ver hasta ahora el interior de ninguna.

¿Qué significa entonces la afirmación de que se ha descubierto materia de quark? Según Vuorinen «aún existe una posibilidad, pequeña pero no nula, de que las estrellas de neutrones estén hechas solo de materia nuclear normal. Sin embargo, lo que hemos logrado hacer es cuantificar las condiciones que serían necesarias para que se de este escenario. En resumen, el comportamiento de la materia nuclear densa (pero convencional) tendría que ser verdaderamente peculiar. Por ejemplo, la velocidad del sonido necesitaría casi alcanzar a la de la luz».

El mensaje de las ondas gravitacionales

Uno de los factores clave que contribuyó al nuevo hallazgo fue la aparición de los resultados de dos trabajos recientes de astrofísica observacional: la medición de ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos estrellas de neutrones y la detección de estrellas de neutrones muy masivas, con masas cercanas a las dos masas solares.

En otoño de 2017, en efecto, los observatorios LIGO y Virgo detectaron, por primera vez, ondas gravitacionales generadas por dos estrellas de neutrones que se estaban fusionando.

Esa observación estableció un límite superior riguroso para una cantidad llamada «deformabilidad de marea», que mide lo sensible que puede ser la estructura de una estrella al campo gravitacional de una compañera a la que orbita. Ese resultado se utilizó después para obtener un límite superior para los radios de esas dos estrellas de neutrones en colisión, que resultaron ser aproximadamente de 13 km.

Del mismo modo, y aunque la primera observación de una estrella de neutrones se remonta a 1967, las mediciones precisas de sus masas no han sido posibles hasta las dos últimas décadas.

Y la mayoría de las estrellas de neutrones cuyas masas se conocen con precisión caen dentro de una ventana que oscile entre 1 y 1.7 masas solares. Pero la última década ha siso testigo de tres estrellas de neutrones que alcanzaban, e incluso superaban ligeramente, las dos masas solares.

La ecuación del estado de la materia

En el nuevo análisis, esas observaciones astrofísicas se combinaron con resultados teóricos de vanguardia sobre partículas y física nuclear.

Lo cual permitió derivar una predicción precisa de lo que se conoce como «la ecuación de estado de la materia estelar de neutrones», que se refiere a la relación entre su presión y la densidad de energía. Un componente integral en este proceso fue un resultado bien conocido de la relatividad general, que relaciona la ecuación de estado con una relación entre los posibles valores de radios y masas de estrellas de neutrones.

Desde aquella primera detección de 2017, se han observado ya varias fusiones de estrellas de neutrones, y LIGO y Virgo se han convertido rápidamente en una parte esencial de la investigación de estos cadáveres estelares.

Y es precisamente esta rápida acumulación de información nueva lo que ha permitido mejorar la precisión de los hallazgos del equipo finlandés, confirmando la existencia de materia de quark dentro de las estrellas de neutrones.

Según los investigadores, las nuevas observaciones previstas para los próximos meses y años conseguirán refinar aún más los resultados y eliminar o reducir en gran medida las incertidumbres actuales.

«Hay buenas razones para creer -concluye Vuorinen- que la edad de oro de la astrofísica de ondas gravitacionales apenas si está en sus comienzos, y que pronto seremos testigos de muchos más saltos como este en nuestra comprensión de la naturaleza».

Fuente: José Manuel Nieves / ABC