Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

En lo profundo del cosmos, mucho más allá del alcance de cualquier telescopio o nave espacial, se encuentran los laboratorios más extremos del universo: las estrellas de neutrones. Estas son los núcleos colapsados de estrellas masivas que han muerto, comprimidos hasta que una sola cucharadita de su material pesaría tanto como una montaña. Dentro de estos remanentes estelares, la materia se comprime con tanta fuerza que desafía las reglas que observamos en la vida cotidiana. En el mismísimo centro, donde la presión es inimaginable, los átomos mismos podrían desintegrarse. Los protones y neutrones que normalmente mantienen unida la materia podrían disolverse en una sopa de sus componentes más pequeños, conocidos como quarks. Este estado hipotético de la materia, donde los quarks vagan libremente en lugar de estar encerrados dentro de las partículas, se denomina materia de quarks. Si existe, formaría una estrella híbrida: un objeto cósmico con un núcleo de materia de quarks exótica rodeado por una capa de materia nuclear normal. Comprender si estas estrellas existen, y cómo son, es uno de los grandes desafíos de la astrofísica moderna, ya que revelaría cómo se comporta la naturaleza bajo las condiciones más intensas posibles.

Durante años, los científicos han intentado reconstruir la estructura interna de estas estrellas combinando modelos teóricos con observaciones del mundo real. Tienen datos de telescopios que observan los rayos X rebotando en las superficies de las estrellas de neutrones, y tienen datos de detectores de ondas gravitacionales que escuchan las ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la colisión de dos estrellas de neutrones. En un estudio reciente, un equipo de investigadores de la Universidad de Coímbra en Portugal volvió a abordar este enigma. Previamente, habían creado un conjunto de modelos que sugerían que las estrellas de neutrones más pesadas debían contener grandes núcleos de esta materia exótica de quarks. Sin embargo, su nuevo trabajo planteaba una pregunta diferente: ¿qué pasaría si los núcleos de quarks fueran mucho más pequeños, o incluso apenas estuvieran presentes? Al relajar el requisito estricto de que los núcleos debían ser enormes, generaron un nuevo conjunto de posibilidades que se alinea mucho mejor con las últimas mediciones astronómicas.

Los investigadores utilizaron un poderoso método estadístico para filtrar miles de escenarios posibles. Comenzaron con dos ingredientes principales para sus modelos: una descripción de la materia normal que se encuentra en las capas exteriores de la estrella, y una descripción de la potencial materia de quarks en el centro. Luego, probaron estos modelos contra una lista de verificación rigurosa de datos del mundo real. Esta lista de verificación incluía las propiedades conocidas de la materia nuclear, las masas y tamaños precisos de varias estrellas de neutrones específicas observadas por el telescopio de rayos X NICER, y los detalles de la colisión entre dos estrellas de neutrones detectada por los observatorios LIGO y Virgo. En su trabajo anterior, obligaron a los modelos a producir estrellas con núcleos de quarks masivos, lo que impulsaba la transición de la materia normal a la materia de quarks a densidades relativamente bajas. En este nuevo estudio, eliminaron esa restricción específica. Siguieron exigiendo que las estrellas más pesadas tuvieran algo de materia de quarks en su interior, pero permitieron que el tamaño de ese núcleo fuera desde diminuto hasta grande, dejando que los datos decidieran qué era lo más probable.

Los resultados de este nuevo enfoque fueron sorprendentes. Los modelos que permitían núcleos de quarks más pequeños, que el equipo denominó el conjunto "SmallQ", produjeron estrellas de neutrones ligeramente más pequeñas en radio y menos deformables que aquellas en sus modelos anteriores. Esto hizo que los nuevos modelos encajaran mucho mejor con las observaciones reales del telescopio NICER y con los datos de ondas gravitacionales. En los modelos anteriores con núcleos grandes, la transición a la materia de quarks ocurría a una densidad de aproximadamente dos a dos veces y media la densidad de los núcleos atómicos normales. En los nuevos modelos, más exitosos, esta transición se desplazó mucho más hacia el interior de la estrella, ocurriendo a densidades entre tres y cuatro veces y media la densidad nuclear normal. Este retraso en la transición significa que la capa de materia normal de la estrella es más gruesa, y el núcleo exótico es más pequeño o, en algunos casos, casi inexistente incluso en las estrellas más pesadas.

Este cambio en el momento de la transición de fase también cambió la composición interna de las estrellas. En los modelos con núcleos grandes, la materia de quarks estaba dominada por quarks up (arriba) y down (abajo). En los nuevos modelos con núcleos más pequeños, los quarks strange (extraños) —un tipo de quark más pesado— se volvieron mucho más abundantes, conformando una fracción mayor de la composición del núcleo. Curiosamente, los nuevos modelos sugieren que algunas de las estrellas de neutrones más pesadas, aquellas que pesan el doble que nuestro Sol, podrían contener muy poca o ninguna materia de quarks. Esto desafía la idea de que las estrellas más pesadas deben estar necesariamente dominadas por materia exótica. En cambio, sugiere que la transición a la materia de quarks es un evento raro que solo ocurre bajo la presión más extrema, o quizás no ocurre en absoluto en algunas de las estrellas más pesadas que hemos observado.

El estudio también analizó cómo cambia el tamaño de una estrella de neutrones a medida que su masa aumenta. Para las estrellas hechas solo de materia normal, el radio tiende a reducirse a medida que la estrella se vuelve más pesada. Para las estrellas con materia exótica, la relación puede ser más compleja. Los investigadores descubrieron que, en su nuevo conjunto de modelos, un número significativo de estrellas todavía mostraba una pendiente positiva en su relación masa-radio a masas bajas, lo que significa que se volvían ligeramente más grandes al ganar peso. Sin embargo, a una masa de 1.8 veces la del Sol, la gran mayoría de estos modelos regresaban al comportamiento esperado de reducción de tamaño. Esta es una distinción crucial porque, en sus modelos anteriores con núcleos grandes, una pendiente positiva era común incluso a estas masas elevadas. El hecho de que los nuevos modelos muestran mayoritariamente el comportamiento estándar de reducción a masas altas, mientras que siguen ajustándose a los datos observacionales, sugiere que la presencia de un gran núcleo de quarks no es necesaria para explicar las estrellas que vemos.

En última instancia, este trabajo refina nuestra comprensión de la materia más densa del universo. Al permitir que el tamaño del núcleo de quarks varíe libremente en lugar de forzarlo a ser grande, los investigadores encontraron un conjunto de modelos que son más consistentes con el universo tal como lo observamos. Estos modelos sugieren que, si la materia de quarks existe en los corazones de las estrellas de neutrones, es probable que esté confinada a una pequeña región en el centro mismo, apareciendo solo cuando la densidad alcanza niveles extremos. Los hallazgos no descartan la existencia de la materia de quarks, pero sí sugieren que la transición a este estado exótico es más difícil de lograr de lo que se pensaba anteriormente. A medida que los astrónomos sigan reuniendo datos más precisos sobre los tamaños y masas de las estrellas de neutrones, estos modelos refinados servirán como una guía crítica, ayudando a determinar si los núcleos de estos gigantes cósmicos están hechos de los extraños y libres quarks que se han teorizado durante mucho tiempo, o si permanecen compuestos enteramente por la materia familiar que constituye nuestro propio mundo.