Bayesian approach study of hybrid neutron stars

En lo profundo del cosmos, mucho más allá del alcance de nuestros telescopios, se encuentran algunos de los objetos más extremos del universo: las estrellas de neutrones. Estas son los núcleos colapsados de estrellas masivas que han muerto, comprimidos en esferas de apenas unos veinte kilómetros de ancho pero que contienen más masa que todo nuestro Sol. En su interior, la gravedad comprime la materia con tal fuerza que los propios átomos son aplastados, dejando atrás una sopa densa de protones y neutrones. Durante décadas, los físicos se han preguntado si esta presión va incluso más allá, obligando a los protones y neutrones a romperse en sus propios componentes fundamentales: los quarks. Si esto sucede, el núcleo de la estrella se transformaría en un nuevo estado de la materia, creando lo que los científicos llaman una "estrella híbrida": un cuerpo celeste con un núcleo de quarks libres rodeado por una capa de materia nuclear normal. Determinar si estos núcleos exóticos existen es uno de los grandes desafíos de la astrofísica moderna, ya que revelaría cómo se comporta la materia bajo condiciones que no pueden recrearse en ningún laboratorio en la Tierra.

Para resolver este enigma, un equipo de investigadores recurrió a un poderoso método estadístico conocido como análisis bayesiano. En lugar de adivinar qué modelo de materia podría ser el correcto, utilizaron este enfoque para probar diversas teorías diferentes contra datos del mundo real recopilados por instrumentos avanzados. Se centraron en mediciones de masas y tamaños de estrellas de neutrones, obtenidas de detectores de ondas gravitacionales que escuchan las ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la colisión de estrellas, y de telescopios de rayos X que cronometran los pulsos de luz de las estrellas que giran. Los investigadores construyeron modelos computacionales de estas estrellas, creando dos capas distintas para cada una: una capa externa hecha de materia nuclear normal y un núcleo central hecho de materia de quarks desconfinada. Probaron tres formas diferentes de describir la capa externa, cada una basada en supuestos ligeramente distintos sobre cómo interactúan las partículas, y las combinaron con un modelo para el núcleo de quarks que incluía parámetros específicos para la forma en que los quarks se empujan entre sí y cómo están confinados.

Posteriormente, el equipo sometió sus modelos a un riguroso proceso de eliminación. Pidieron a sus simulaciones por computadora que encontraran la configuración específica para el núcleo de quarks que permitiera que las estrellas híbridas resultantes coincidieran con las masas y tamaños observados de las estrellas de neutrones reales. Crucialmente, también verificaron si estas estrellas mantendrían la estabilidad y si la transición de la materia normal a la materia de quarks ocurría a una densidad que tuviera sentido físico. Los resultados apuntaron a un resultado muy específico. El modelo más exitoso, que combinaba una descripción particular de la capa externa con un conjunto específico de reglas para el núcleo de quarks, sugirió que una transición de fase a la materia de quarks podría ocurrir a densidades menores de dos veces la densidad de los núcleos atómicos normales. Este hallazgo implica que las estrellas híbridas con núcleos de quarks grandes son una configuración posible consistente con los datos, aunque la evidencia estadística que favorece este modelo específico sobre otras alternativas sigue siendo inconclusa.

Sin embargo, el estudio también destacó desafíos significativos para otras posibilidades. Cuando los investigadores probaron modelos que incluían partículas extrañas llamadas hiperones en la capa externa, o cuando utilizaron diferentes descripciones matemáticas para la materia nuclear, las estrellas resultantes a menudo no lograban coincidir con los datos observados o violaban límites físicos conocidos. En particular, muchos de los modelos alternativos, incluidos aquellos con hiperones, predijeron estrellas que eran demasiado "suaves" o demasiado "rígidas", o sugirieron que la transición a la materia de quarks ocurriría a densidades tan altas que las estrellas colapsarían antes de alcanzar la masa necesaria. El análisis mostró que, si bien los modelos hiperónicos no fueron descartados por completo como una posibilidad teórica, violaban restricciones específicas derivadas de la Cromodinámica Cuántica perturbativa (pQCD). Solo un rango estrecho de parámetros para el núcleo de quarks podía producir una estrella que fuera tanto estable como consistente con las mediciones precisas de las observaciones astronómicas recientes, aunque incluso el mejor modelo de ajuste mostraba cierta tensión con los límites teóricos.

Los investigadores encontraron que el modelo que mejor se ajusta predice una transición a la materia de quarks que ocurre a una densidad de alrededor de 1.9 veces la densidad normal de la materia nuclear. En este punto, el núcleo de la estrella comenzaría a cambiar su naturaleza, creando una gran región de materia de quarks en su interior. El estudio indica que estas estrellas híbridas tendrían un radio de aproximadamente 12 kilómetros y podrían soportar masas de hasta aproximadamente 2.1 veces la de nuestro Sol. Estos valores se alinean con las estrellas de neutrones más pesadas que hemos observado, como la conocida como PSR J0740+6620, que pesa más de dos masas solares, aunque el estudio señala que el modelo que mejor se ajusta todavía viola ciertas restricciones de la pQCD en ciertos diagramas. Los hallazgos sugieren que el interior de estas estrellas masivas es probablemente una mezcla compleja de fases, donde la presión extrema fuerza un cambio fundamental en la naturaleza misma de la materia.

Si bien el estudio proporciona una imagen más clara de los interiores ocultos de los objetos más densos del universo, también resalta los límites de nuestro conocimiento actual. Los investigadores señalaron que el momento exacto en que ocurre la transición depende fuertemente del modelo específico utilizado para la capa externa de la estrella. Algunos modelos sugirieron que la transición ocurre antes, mientras que otros la desplazaron hacia densidades más altas, pero solo una combinación satisfizo la mayoría de las restricciones de los datos astronómicos, aun cuando todavía violaba restricciones específicas de la pQCD en ciertos diagramas. El equipo también examinó cómo cambia la forma de la estrella cuando es estirada por la gravedad de una estrella compañera, una propiedad conocida como deformabilidad de marea. Sus resultados mostraron que los modelos más exitosos producen estrellas que se deforman de una manera consistente con las ondas gravitacionales detectadas de la colisión de dos estrellas de neutrones en 2017.

En última instancia, este trabajo ofrece una imagen más clara de los interiores ocultos de los objetos más densos del universo. Al combinar mediciones astronómicas precisas con herramientas estadísticas sofisticadas, los investigadores han delimitado las posibilidades de lo que yace en el corazón de una estrella de neutrones. Han demostrado que un gran núcleo de quarks es una característica plausible de estos gigantes cósmicos, siempre que las leyes que gobiernan la transición entre la materia normal y la materia de quarks sigan un camino específico, incluso si la evidencia estadística para este escenario específico aún no es definitiva. Esto no prueba que cada estrella de neutrones tenga un núcleo de quarks, pero demuestra que tal configuración es compatible con gran parte de lo que sabemos actualmente sobre el universo. A medida que lleguen nuevos datos de instrumentos más sensibles, estos modelos serán probados nuevamente, revelando potencialmente la verdadera naturaleza de la materia en el borde mismo de la existencia.