Una estrella de quarks es un tipo hipotético de estrella compacta y exótica , en la que una temperatura y presión extremadamente altas en el núcleo han obligado a las partículas nucleares a formar materia de quarks , un estado continuo de la materia formado por quarks libres .
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 e impidiendo un mayor colapso gravitacional. Sin embargo, se plantea la hipótesis de que, bajo temperaturas y presiones 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 partículas densamente empaquetadas . quarks. En este estado se supone que surgirá un nuevo equilibrio, ya que se producirá una nueva presión de degeneración entre los quarks, así como fuerzas electromagnéticas repulsivas que impedirán el 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 ha sido imposible demostrarlo tanto observacional como experimentalmente, porque las condiciones extremas necesarias para estabilizar la materia de los quarks no se pueden crear en ningún laboratorio ni se han observado directamente en la naturaleza. Por estas razones, la estabilidad de la materia de quarks y, por tanto, la existencia de estrellas de quarks, se encuentra entre los problemas no resueltos de la física .
Si se pueden formar estrellas de quarks, entonces el lugar más probable para encontrar materia de estrellas de quarks sería el interior de estrellas de neutrones que superen la presión interna necesaria para la degeneración de los quarks , el punto en el que los neutrones se descomponen en una forma de materia de quarks densa. 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 allá de una estrella de neutrones pero no lo suficientemente grande como para formar un agujero negro .
Si existieran, las estrellas de quarks se parecerían y serían fácilmente confundidas con estrellas de neutrones: se formarían con la muerte de una estrella masiva en una supernova de Tipo II , serían extremadamente densas y pequeñas, y poseerían un campo gravitacional muy alto. También carecerían de algunas características de las estrellas de neutrones, a menos que también contuvieran una capa de materia de neutrones, porque no se espera que los quarks libres tengan propiedades que coincidan con la materia de neutrones degenerada. Por ejemplo, podrían ser silenciosas desde el punto de vista radiológico 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. [1] [2] Su existencia no ha sido confirmada.
La ecuación de estado de la materia de los quarks es incierta, al igual que el punto de transición entre la materia degenerada por neutrones y la materia de los quarks. Las incertidumbres teóricas han impedido hacer predicciones a partir de primeros principios . Experimentalmente, el comportamiento de la materia de quarks se está estudiando activamente con colisionadores de partículas, pero esto sólo puede producir masas de plasma de quarks-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 estrellas compactas con densidades extremadamente altas y temperaturas muy por debajo de 10 12 K no se pueden recrear artificialmente, ya que no se conocen métodos para producir, almacenar o estudiar materia de quarks "fría" directamente como se encontraría dentro de las estrellas de quarks. La teoría predice que la materia de los quarks poseerá algunas características peculiares en estas condiciones. [ cita necesaria ]
Se plantea la hipótesis de que cuando la materia degenerada por neutrones , que forma las estrellas de neutrones , se somete a suficiente presión por parte de la propia gravedad de la estrella o de la supernova inicial que la crea, los neutrones individuales se descomponen en sus quarks constituyentes ( quarks arriba y quarks abajo ). , formando lo que se conoce como materia quark. Esta conversión puede limitarse al centro de la estrella de neutrones o podría transformar toda la estrella, dependiendo de las circunstancias físicas. Una estrella así se conoce como estrella de quarks. [4] [5]
La materia de quarks ordinaria, compuesta por quarks arriba y abajo, tiene una energía de Fermi muy alta en comparación con la materia atómica ordinaria y es estable sólo 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 muy inestables y se reorganizarán espontáneamente. [6] [7]
Se ha demostrado que la alta energía de Fermi que hace que la materia de los quarks ordinarios sea inestable a bajas temperaturas y presiones puede reducirse sustancialmente mediante la transformación de un número suficiente de quarks arriba y abajo en quarks extraños , ya que los quarks extraños son, relativamente hablando, una sustancia muy pesada. tipo de partícula de quark. [6] Este tipo de materia de quarks se conoce específicamente como materia de quarks extraños y se especula y está sujeto a 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 el supuesto de Bodmer- Witten ), las estrellas de quarks hechas enteramente de materia de quarks serían estables si se transforman rápidamente en materia de quarks extraña. [8]
Las estrellas formadas por materia de quarks extraños se conocen como estrellas extrañas. Estos forman un subtipo distinto de estrellas de quarks. [8]
Las investigaciones teóricas han revelado que las estrellas de quarks no sólo podrían formarse a partir de estrellas de neutrones y supernovas potentes, sino que también podrían formarse en las primeras separaciones de fases cósmicas que siguieron al Big Bang . [6] Si estas estrellas de quarks primordiales se transforman en materia de quarks extraña antes de que las condiciones externas de temperatura y presión del Universo temprano las vuelvan inestables, podrían volverse estables, si la suposición de Bodmer-Witten es cierta. Estrellas tan extrañas y primordiales podrían sobrevivir hasta el día de hoy. [6]
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 los quarks exhibirá algunas características peculiares. Se espera que se comporte como un líquido de Fermi y entre en la fase de superconductividad de color denominada color-sabor bloqueado (CFL) , donde "color" se refiere a las seis "cargas" exhibidas en la interacción fuerte , en lugar de las dos cargas. (positivo y negativo) en electromagnetismo . A densidades ligeramente más bajas, correspondientes a capas superiores 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 que podría incluir conductividad de color y/o varios factores adicionales. fases aún no descubiertas. Actualmente, ninguna de estas condiciones extremas se puede recrear en laboratorios, por lo que no se puede inferir nada sobre estas fases a partir de experimentos directos. [9]
Si la conversión de materia degenerada por neutrones en materia de quarks (extraña) es total, una estrella de quarks puede imaginarse hasta cierto punto como un hadrón único y gigantesco . Pero este "hadrón" estará limitado por la gravedad, en lugar de por la fuerza fuerte que une a los hadrones ordinarios. [ cita necesaria ]
Al menos según los supuestos mencionados anteriormente, la probabilidad de que una determinada estrella de neutrones sea una estrella de quarks es baja, [ cita necesaria ] por lo que en la Vía Láctea solo habría una pequeña población de estrellas de quarks. Sin embargo, si es cierto que las estrellas de neutrones excesivamente densas pueden convertirse en estrellas de quarks, el número posible de estrellas de quarks será mayor de lo que se pensaba originalmente, ya que los observadores buscarían el tipo de estrella equivocado. [ cita necesaria ]
Una estrella de neutrones sin desconfinamiento a los quarks y densidades más altas no puede tener un período de rotación inferior a un milisegundo; Incluso con la gravedad inimaginable de un objeto tan condensado, la fuerza centrípeta de una rotación más rápida expulsaría materia de la superficie, por lo que la detección de un púlsar de 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, denominadas RX J1856.5−3754 y 3C 58 , que anteriormente se pensaba que eran estrellas de neutrones. Según las leyes conocidas de la física, los primeros parecían mucho más pequeños y los segundos mucho más fríos de lo que deberían ser, lo que sugiere que están compuestos de material más denso que la materia degenerada por neutrones . Sin embargo, estas observaciones son recibidas con escepticismo por parte de los investigadores que dicen que los resultados no fueron concluyentes; [10] y desde finales de la década de 2000, se ha excluido la posibilidad de que RX J1856 sea una estrella de quarks.
Otra estrella, XTE J1739-285 , [11] ha sido observada por un equipo dirigido por Philip Kaaret de la Universidad de Iowa y reportada como una posible candidata a estrella de quarks.
En 2006, You-Ling Yue et al., de la Universidad de Pekín , sugirieron que PSR B0943+10 podría ser, de hecho, una estrella de quarks de baja masa. [12]
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. [13] Se ha sugerido que el núcleo colapsado de la supernova SN 1987A puede ser una estrella de quarks. [14] [15]
En 2015, Zi-Gao Dai et al. de la Universidad de Nanjing sugirieron que la supernova ASASSN-15lh es una extraña estrella de quarks recién nacida. [dieciséis]
En 2022 se sugirió que GW190425, que probablemente se formó como una fusión entre dos estrellas de neutrones que emitían ondas gravitacionales en el proceso, podría ser una estrella de quarks. [17]
Aparte de la materia de quarks ordinaria y la materia de quarks extraña, hipotéticamente podrían ocurrir o formarse otros tipos de plasma de quarks y gluones dentro de estrellas de neutrones y estrellas de quarks. Esto incluye lo siguiente, algunos de los cuales han sido observados y estudiados en laboratorios:
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
