Una estrella de quarks es un tipo hipotético de estrella compacta y exótica , donde una temperatura y una presión centrales extremadamente altas han obligado a las partículas nucleares a formar materia de quarks , un estado continuo de la materia que consiste en quarks libres . [1]
Algunas estrellas masivas colapsan para formar estrellas de neutrones al final de su ciclo de vida , como se ha observado y explicado teóricamente. Bajo las temperaturas y presiones extremas dentro de las estrellas de neutrones, los neutrones normalmente se mantienen separados por una presión de degeneración , estabilizando la estrella y evitando un mayor colapso gravitacional. Sin embargo, se plantea la hipótesis de que bajo una temperatura y presión aún más extremas, la presión de degeneración de los neutrones se supera, y los neutrones se ven obligados a fusionarse y disolverse en sus quarks constituyentes, creando una fase ultradensa de materia de quarks basada en quarks densamente empaquetados. En este estado, se supone que emerge un nuevo equilibrio, ya que se producirá una nueva presión de degeneración entre los quarks, así como fuerzas electromagnéticas repulsivas, y evitarán un colapso gravitacional total .
Si estas ideas son correctas, las estrellas de quarks podrían existir y ser observables en algún lugar del universo. Tal escenario se considera científicamente plausible, pero no ha sido probado ni mediante observaciones ni experimentos; las condiciones extremas necesarias para estabilizar la materia de quarks no pueden crearse en ningún laboratorio y no han sido observadas directamente en la naturaleza. La estabilidad de la materia de quarks, y por lo tanto la existencia de estrellas de quarks, se encuentra por estas razones entre los problemas sin resolver de la física .
Si se pueden formar estrellas de quarks, el lugar más probable para encontrar materia de estrellas de quarks sería dentro de estrellas de neutrones que excedan la presión interna necesaria para la degeneración de quarks , el punto en el que los neutrones se descomponen en una forma de materia densa de quarks. También podrían formarse si una estrella masiva colapsa al final de su vida, siempre que sea posible que una estrella sea lo suficientemente grande como para colapsar más que una estrella de neutrones, pero no lo suficientemente grande como para formar un agujero negro .
Si existieran, las estrellas de quarks se parecerían a las estrellas de neutrones y podrían confundirse fácilmente con ellas: se formarían en la muerte de una estrella masiva en una supernova de tipo II , serían extremadamente densas y pequeñas y poseerían un campo gravitatorio muy alto. También carecerían de algunas características de las estrellas de neutrones, a menos que también contuvieran una capa de materia neutrónica, porque no se espera que los quarks libres tengan propiedades que coincidan con la materia neutrónica degenerada. Por ejemplo, podrían ser radiosilentes o tener tamaños, campos electromagnéticos o temperaturas superficiales atípicos, en comparación con las estrellas de neutrones.
El análisis de las estrellas de quarks fue propuesto por primera vez en 1965 por los físicos soviéticos DD Ivanenko y DF Kurdgelaidze. [2] [3] Su existencia no ha sido confirmada.
La ecuación de estado de la materia de quarks es incierta, como lo es el punto de transición entre la materia degenerada por neutrones y la materia de quarks. Las incertidumbres teóricas han impedido hacer predicciones a partir de los primeros principios . Experimentalmente, el comportamiento de la materia de quarks se está estudiando activamente con colisionadores de partículas, pero esto solo puede producir manchas de plasma de quarks y gluones muy calientes (por encima de 10 12 K ) del tamaño de núcleos atómicos, que se desintegran inmediatamente después de su formación. Las condiciones dentro de las estrellas compactas con densidades extremadamente altas y temperaturas muy por debajo de 10 12 K no se pueden recrear artificialmente, ya que no existen métodos conocidos para producir, almacenar o estudiar directamente la materia de quarks "fría" tal como se encontraría dentro de las estrellas de quarks. La teoría predice que la materia de quarks posee algunas características peculiares en estas condiciones. [ cita requerida ]
Se ha planteado la hipótesis de que cuando la materia degenerada por neutrones , que forma las estrellas de neutrones , se somete a una presión suficiente por la propia gravedad de la estrella o por la supernova inicial que la creó, los neutrones individuales se descomponen en sus quarks constituyentes ( quarks up y quarks down ), formando lo que se conoce como materia de quarks. Esta conversión puede limitarse al centro de la estrella de neutrones o puede transformar la estrella entera, dependiendo de las circunstancias físicas. Una estrella de este tipo se conoce como estrella de quarks. [5] [6]
La materia de quarks ordinaria, compuesta por quarks up y down, tiene una energía de Fermi muy alta en comparación con la materia atómica ordinaria y es estable solo bajo temperaturas y/o presiones extremas. Esto sugiere que las únicas estrellas de quarks estables serán las estrellas de neutrones con un núcleo de materia de quarks, mientras que las estrellas de quarks compuestas enteramente de materia de quarks ordinaria serán altamente inestables y se reorganizarán espontáneamente. [7] [8]
Se ha demostrado que la alta energía de Fermi que hace que la materia de quarks ordinaria sea inestable a bajas temperaturas y presiones se puede reducir sustancialmente mediante la transformación de un número suficiente de quarks up y down en quarks extraños , ya que los quarks extraños son, relativamente hablando, un tipo muy pesado de partícula de quark. [7] Este tipo de materia de quarks se conoce específicamente como materia de quarks extraños y se especula y está sujeto a la investigación científica actual si de hecho podría ser estable en las condiciones del espacio interestelar (es decir, presión y temperatura externas cercanas a cero). Si este es el caso (conocido como la hipótesis de Bodmer- Witten ), las estrellas de quarks hechas completamente de materia de quarks serían estables si se transforman rápidamente en materia de quarks extraños. [9]
Las estrellas formadas por materia de quarks extraños se conocen como estrellas extrañas y forman un subtipo distinto de estrellas de quarks. [9]
Las investigaciones teóricas han revelado que las estrellas de quarks no sólo podrían producirse a partir de estrellas de neutrones y supernovas potentes, sino que también podrían crearse en las primeras separaciones de fases cósmicas posteriores al Big Bang . [7] Si estas estrellas de quarks primordiales se transforman en materia de quarks extraños antes de que las condiciones externas de temperatura y presión del Universo primitivo las vuelvan inestables, podrían volverse estables, si la hipótesis de Bodmer-Witten es cierta. Tales estrellas extrañas primordiales podrían sobrevivir hasta el día de hoy. [7]
Las estrellas de quarks tienen algunas características especiales que las separan de las estrellas de neutrones ordinarias. Bajo las condiciones físicas que se encuentran dentro de las estrellas de neutrones, con densidades extremadamente altas pero temperaturas muy por debajo de 10 12 K, se predice que la materia de quarks exhibirá algunas características peculiares. Se espera que se comporte como un líquido de Fermi y entre en una llamada fase de superconductividad de color de color-sabor bloqueado (CFL) , donde "color" se refiere a las seis "cargas" exhibidas en la interacción fuerte , en lugar de las dos cargas (positiva y negativa) en el electromagnetismo . A densidades ligeramente más bajas, correspondientes a capas más altas más cercanas a la superficie de la estrella compacta, la materia de quarks se comportará como un líquido de quarks no CFL, una fase que es incluso más misteriosa que la CFL y podría incluir conductividad de color y/o varias fases adicionales aún no descubiertas. Ninguna de estas condiciones extremas puede recrearse actualmente en laboratorios, por lo que no se puede inferir nada sobre estas fases a partir de experimentos directos. [10]
Al menos bajo las suposiciones mencionadas anteriormente, la probabilidad de que una estrella de neutrones dada sea una estrella de quarks es baja, [ cita requerida ] por lo que en la Vía Láctea solo habría una pequeña población de estrellas de quarks. Sin embargo, si es correcto que las estrellas de neutrones sobredensas pueden convertirse en estrellas de quarks, eso hace que el número posible de estrellas de quarks sea mayor de lo que se pensaba originalmente, ya que los observadores estarían buscando el tipo de estrella equivocado. [ cita requerida ]
Una estrella de neutrones sin desconfinamiento de quarks y densidades mayores no puede tener un período de rotación más corto que un milisegundo; incluso con la gravedad inimaginable de un objeto tan condensado, la fuerza centrípeta de rotación más rápida expulsaría materia de la superficie, por lo que la detección de un púlsar con un período de milisegundos o menos sería una fuerte evidencia de una estrella de quarks.
Las observaciones publicadas por el Observatorio de rayos X Chandra el 10 de abril de 2002 detectaron dos posibles estrellas de quarks, designadas RX J1856.5−3754 y 3C 58 , que anteriormente se había pensado que eran estrellas de neutrones. Con base en las leyes conocidas de la física, la primera parecía mucho más pequeña y la segunda mucho más fría de lo que debería ser, lo que sugiere que están compuestas de material más denso que la materia degenerada por neutrones . Sin embargo, estas observaciones son recibidas con escepticismo por los investigadores que dicen que los resultados no fueron concluyentes; [11] y desde finales de la década de 2000, la posibilidad de que RX J1856 sea una estrella de quarks ha sido descartada.
Otra estrella, XTE J1739-285 , [12] ha sido observada por un equipo dirigido por Philip Kaaret de la Universidad de Iowa y reportada como posible candidata a estrella de quarks.
En 2006, You-Ling Yue et al., de la Universidad de Pekín , sugirieron que PSR B0943+10 podría de hecho ser una estrella de quarks de baja masa. [13]
En 2008 se informó que las observaciones de las supernovas SN 2006gy , SN 2005gj y SN 2005ap también sugieren la existencia de estrellas de quarks. [14] Se ha sugerido que el núcleo colapsado de la supernova SN 1987A puede ser una estrella de quarks. [15] [16]
En 2015, Zi-Gao Dai et al. de la Universidad de Nanjing sugirieron que la supernova ASASSN-15lh es una estrella de quarks extraños recién nacida. [17]
En 2022 se sugirió que GW190425, que probablemente se formó como una fusión entre dos estrellas de neutrones que emitieron ondas gravitacionales en el proceso, podría ser una estrella de quarks. [18]
Además de la materia de quarks ordinaria y la materia de quarks extraños, hipotéticamente podrían existir o formarse otros tipos de plasma de quarks y gluones dentro de las estrellas de neutrones y de quarks. Entre ellos se incluyen los siguientes, algunos de los cuales se han observado y estudiado en laboratorios:
{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
