Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

En lo más profundo de los objetos más extremos del universo, la materia se comprime a densidades que no pueden crearse en ningún laboratorio en la Tierra. Estos objetos son estrellas de neutrones, los remanentes superdensos de estrellas masivas que han explotado. Durante décadas, los físicos han debatido qué se encuentra en el centro mismo de estas estrellas. Mientras que las capas exteriores están hechas de núcleos atómicos familiares, el núcleo podría estar tan comprimido que los protones y neutrones se disuelven en una sopa de sus partes constituyentes, conocidas como quarks. Este cambio de la materia nuclear ordinaria a un núcleo de quarks se llama transición de fase, similar a cómo el agua se convierte en hielo, pero ocurriendo bajo condiciones de presión y gravedad inmensas. Comprender si esto sucede, y cómo, es crucial porque revelaría las reglas fundamentales que gobiernan cómo se comporta la materia cuando se exprime hasta su límite absoluto.

Un nuevo estudio realizado por investigadores en Alemania e Irlanda explora qué pasaría si tal transición ocurriera dentro de una estrella de neutrones joven y caliente, conocida como protoestrella de neutrones. Estas estrellas nacen en las violentas secuelas de una explosión de supernova y todavía se están enfriando mientras absorben más material de su entorno. Los investigadores investigaron un escenario específico donde el núcleo de la estrella cambia repentinamente de materia normal a materia de quarks. Encontraron que este evento no sería solo un cambio interno silencioso; desencadenaría una señal dramática de dos partes que podría ser detectada por instrumentos futuros. El evento enviaría ondulaciones en el espacio-tiempo, conocidas como ondas gravitacionales, a dos velocidades muy diferentes al mismo tiempo, mientras también liberaría un estallido de partículas fantasmalesorasales llamadas neutrinos.

Los investigadores construyeron una colección masiva de modelos computacionales para simular este proceso. En lugar de adivinar una sola respuesta sobre cómo se comporta la materia, crearon miles de versiones posibles de la estructura interna de la estrella de neutrones, todas las cuales eran consistentes con las leyes conocidas de la física y las observaciones de estrellas reales. Luego observaron cómo evolucionaban estas estrellas simuladas a medida que acumulaban más masa. En muchos de estos modelos, el peso añadido eventualmente empujaba el núcleo más allá de un punto de inflexión, forzando la conversión repentina a materia de quarks. El equipo calculó exactamente qué tipo de señal produciría esta conversión. Descubrieron que el evento crea dos tipos distintos de ondas gravitacionales. La primera es un estruendo de baja frecuencia, en el rango de los kilohercios, causado por el ajuste de la forma completa de la estrella a medida que el núcleo se encoge y se vuelve más denso. La segunda es un estallido de frecuencia mucho más alta, en el rango de los megahercios, causado por la colisión microscópica de diminutas burbujas de la nueva materia de quarks a medida que se forman y se expanden a través de la estrella.

Estos dos signals están vinculados de una manera que podría ayudar a los científicos a decodificar la física de la transición. La onda de baja frecuencia nos dice sobre el tamaño y la estructura general de la estrella, mientras que el estallido de alta frecuencia revela detalles sobre el proceso microscópico de la formación y colisión de las burbujas. El estudio muestra que si pudiéramos detectar ambos signals de un mismo evento, podríamos usar la información de la onda de baja frecuencia para reducir las posibilidades para la de alta frecuencia. Esto nos permitiría medir propiedades que actualmente son imposibles de determinar, como la tensión superficial del límite entre los dos tipos de materia. Los investigadores también encontraron que este evento estaría acompañado por un segundo estallido de neutrinos, llegando unos cientos de milisegundos a un par de segundos después de la explosión inicial. Este retraso está determinado por cuánto tiempo tarda la estrella en acumular suficiente masa para activar la transición.

Los hallazgos sugieren que capturar este signal multimensajero sería un gran avance. Si bien los detectores de ondas gravitacionales actuales son lo suficientemente sensibles como para escuchar el estruendo de baja frecuencia, aún no son capaces de escuchar el estallido de megahercios de alta frecuencia. Sin embargo, el estudio señala que la próxima generación de detectores, que se están planeando actualmente, podría potencialmente escuchar ambos. Si un observatorio futuro detecta la onda de baja frecuencia y un instrumento especializado de alta frecuencia capta el estallido de alta frecuencia simultáneo, junto con el signal de neutrinos retrasado, esto proporcionaría una imagen completa de la transición de fase. Esto confirmaría que la materia de quarks existe en los núcleos de las estrellas de neutrones y nos daría nuestra primera mirada directa a cómo se comporta la materia bajo las condiciones más extremas del cosmos. La investigación no afirma haber encontrado este signal todavía, pero proporciona una hoja de ruta clara sobre qué buscar y cómo interpretarlo cuando la tecnología esté a la altura.