Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

En lo profundo del corazón del universo, donde la gravedad aplasta la materia a densidades imposibles de recrear en la Tierra, se encuentran los objetos más extremos conocidos por la ciencia: las estrellas compactas. Estos son los remanentes de estrellas masivas que han colapsado bajo su propio peso, empaquetando más masa que nuestro Sol en una esfera de solo unas pocas docenas de kilómetros de ancho. Durante décadas, los astrónomos han debatido de qué están hechos estos objetos. La visión estándar sostiene que son estrellas de neutrones, montículos cósmicos donde los protones y los electrones han sido comprimidos para formar neutrones, creando un fluido tan denso que una sola cucharadita pesaría mil millones de toneladas. Sin embargo, una idea competidora sugiere que, bajo tal presión extrema, incluso los neutrones podrían romperse en sus componentes fundamentales —los quarks—, creando una estrella hecha enteramente de una extraña sopa de quarks de flujo libre. Esta cuestión de si estas estrellas están hechas de neutrones o de quarks no es solo una cuestión de clasificación; toca las leyes mismas de la física que gobiernan cómo se comporta la materia en sus estados más extremos.

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái aporta una nueva perspectiva a este antiguo enigma al tratar al universo como un gigantesco laboratorio. En lugar de asumir que todas estas estrellas colapsadas son iguales, el equipo utilizó un poderoso método estadístico para analizar datos de múltiples fuentes, incluyendo ondas gravitacionales de estrellas en colisión y mediciones precisas de púlsares de los telescopios de rayos X de la NASA. Se plantearon una pregunta simple pero profunda: si observamos toda la familia de estrellas compactas observadas, ¿pertenecen todas a una misma especie, o existen dos tipos distintos viviendo uno al lado del otro? Al comparar los datos observados con las predicciones de tres escenarios diferentes —uno donde cada estrella es una estrella de neutrones, uno donde cada estrella es una estrella de quarks, y uno donde ambos tipos existen juntos—, los investigadores descubrieron que el universo es probablemente más diverso de lo que se pensaba anteriormente.

Los investigadores no se basaron en una única teoría sobre cómo se comporta la materia dentro de estas estrellas. En su lugar, construyeron un modelo flexible y basado en datos que podía adaptarse a lo que sugirieran las observaciones, permitiendo que los datos hablaran por sí mismos. Alimentaron este modelo con información de seis objetos celestiales específicos: cuatro púlsares cuyos tamaños y masas han sido medidos con alta precisión, y las dos estrellas involucradas en el famoso evento de ondas gravitacionales GW170817, que proporcionó pistas sobre la facilidad con la que estas estrellas pueden ser aplastadas. También incluyeron límites teóricos sobre cómo se comporta la materia a densidades increíblemente altas, derivados de nuestra mejor comprensión de la física de partículas. El equipo luego probó cada combinación posible de estas seis estrellas, preguntando si cada una era una estrella de neutrones o una estrella de quarks, para ver qué disposición general se ajustaba mejor a los datos.

Los resultados apuntaron fuertemente hacia un escenario de "dos familias". En el caso más probable, el universo contiene dos ramas distintas de estrellas compactas. Las estrellas más pesadas y masivas pertenecen a una familia, mientras que las más ligeras pertenecen a otra. Específicamente, el estudio sugiere que el púlsar más masivo observado, conocido como PSR J0740+6620, es probablemente una extraña estrella de quarks: un objeto auto-ligado hecho enteramente de quarks desconfinados. En contraste, las otras cinco estrellas de la muestra, incluyendo las dos que colisionaron para crear las ondas gravitacionales, se describen mejor como estrellas de neutrones tradicionales. Este hallazgo es significativo porque resuelve una tensión de larga data en la astrofísica. Se espera que las estrellas de neutrones tengan un límite de tamaño máximo; si se vuelven demasiado pesadas, deberían colapsar en agujeros negros. Sin embargo, observamos púlsares que son casi el doble de pesados que el Sol. Si todas las estrellas fueran estrellas de neutrones, su estructura interna tendría que ser increíblemente rígida para soportar tal peso, pero esa rigidez las haría demasiado grandes para encajar en las mediciones de tamaño de las estrellas más pequeñas. Al permitir que la estrella pesada sea un tipo de objeto completamente diferente, el estudio ofrece una solución natural: la estrella pesada es una estrella de quarks, que puede ser mucho más masiva y compacta, mientras que las estrellas más ligeras siguen siendo estrellas de neutrones con una estructura más suave y flexible.

El estudio también reveló cómo viaja la velocidad del sonido a través de la materia dentro de estas estrellas, una propiedad que nos indica qué tan rígido o suave es el material. En el escenario donde todas las estrellas son estrellas de neutrones, la velocidad del sonido muestra un pico agudo e inesperado en ciertas densidades, una característica que ha desconcertado a los físicos durante años. Sin embargo, en el escenario favorecido de las dos familias, este pico desaparece. En su lugar, la velocidad del sonido aumenta de forma constante y luego se estabiliza, un comportamiento más suave que se alinea mejor con las expectativas teóricas sobre cómo debería actuar la materia bajo tal presión de aplastamiento. Esto sugiere que la estructura interna de una estrella de neutrones es fundamentalmente diferente de la de una estrella de quarks, y que el universo no obliga a todas las estrellas compactas a entrar en un único molde.

Aunque la evidencia aún no es absoluta, el peso estadístico de los datos favorece esta población mixta. Los investigadores calcularon que el escenario de las dos familias es aproximadamente seis veces más probable que el escenario donde todas las estrellas son estrellas de quarks up-down, y significativamente más probable que el escenario donde todas las estrellas son estrellas de neutrones. Este nivel de confianza se describe como "evidencia moderada", lo que significa que los datos apuntan fuertemente en esta dirección pero dejan espacio para que futuras observaciones refinen el panorama. La clasificación de la estrella más pesada como una estrella de quarks también tiene profundas implicaciones para la naturaleza misma de la materia. Apoya la hipótesis de que la materia extraña de quarks podría ser la forma de materia más estable en el universo, existiendo potencialmente en un estado que nunca decae. Si esto es cierto, podría significar que diminutos fragmentos de esta materia extraña, conocidos como strangelets, podrían haber sobrevivido desde el universo temprano y podrían incluso constituir una forma de materia oscura, aunque esto sigue siendo una posibilidad especulativa.

El estudio también probó qué tan sensibles son estas conclusiones a la forma en que los astrónomos interpretan los datos de un púlsar específico, PSR J0030+0451. Dependiendo del modelo utilizado para analizar los puntos calientes en la superficie de esta estrella, la clasificación de ese objeto particular podría cambiar entre ser una estrella de neutrones o una estrella de quarks. Sin embargo, la identificación de la estrella más pesada, PSR J0740+6620, como una estrella de quarks se mantuvo robusta en todos los modelos probados. Esta estabilidad sugiere que la distinción entre las dos familias es una característica real del cosmos, no solo un artefacto de cómo medimos un objeto específico. A medida que los nuevos telescopios y detectores de ondas gravitacionales entren en funcionamiento, proporcionarán datos aún más nítidos, lo que permitirá confirmar si estas dos familias de estrellas realmente coexisten en el cielo nocturno, revelando una población de remanentes estelares más compleja y variada de lo que jamás imaginamos.