Estrellas de Quarks en los Interiores de Estrellas de Neutrones

Estrellas de Quarks: Del Plasma de Quarks-Gluones a los Restos de Supernova

Las estrellas de neutrones pueden contener plasma de quarks-gluones en sus núcleos, un estado de la materia donde protones y neutrones se desintegran en quarks y gluones. Estos objetos tienen un diámetro de unos 20 km, con una masa 1,4 veces la del Sol, y su densidad permite que los quarks existan libremente bajo la presión de la interacción fuerte. La hipótesis sugiere una transición desde una corteza de neutrones a un núcleo de quarks, donde la materia es más estable que los hadrones ordinarios.

Los quarks son fermiones dentro de protones y neutrones, unidos por gluones. En la cromodinámica cuántica, el plasma de quarks-gluones forma un fluido perfecto con viscosidad cero, como se observa en experimentos del CERN y Brookhaven. En las estrellas, esta es una forma fría y ultradensa que domina sobre la gravedad.

La Física de los Quarks y la Interacción Fuerte

Los átomos consisten en núcleos (protones, neutrones) y electrones. Cada nucleón está compuesto por tres quarks: arriba (u), abajo (d) y, a veces, extraño (s). Los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli, que impide estados idénticos, a diferencia de los gluones, que son bosones.

Los quarks extraños tienen una vida larga, desintegrándose en u y d. La sopa de quarks-gluones fue la base del universo temprano después del Big Bang, transicionando a hadrones. En las estrellas de neutrones, la desconfinación convierte neutrones en quarks libres justo debajo de la corteza.

Estructura de las Estrellas de Neutrones

Las estrellas de neutrones son restos de supernova, púlsares con pulsos de radio periódicos. Su densidad causa la desintegración de neutrones: la interacción fuerte prevalece, formando materia fría y ultradensa de composición desconocida.

Medir la masa y el radio es un desafío debido a las distancias (la más cercana está a 400 años luz). Las colisiones generan ondas gravitacionales, revelando la viscosidad de la materia. La viscosidad volumétrica se estima mediante teoría de perturbaciones: caracteriza la pérdida de energía durante las oscilaciones de la densidad de la mezcla de quarks.

• Masa y Radio: Las estadísticas de fusiones muestran variaciones, indicando un posible núcleo de quarks.
• Viscosidad: Baja, similar al plasma de aceleradores.
• Cronometría de Púlsares: Un método para parámetros precisos.
• Ondas Gravitacionales: Datos de LIGO/Virgo sobre mezcla de materia.

La capa de la corteza tiene irregularidades a escala milimétrica, mientras que el núcleo puede ser una sopa de quarks.

La Hipótesis de las Estrellas de Quarks

Las estrellas de quarks están compuestas enteramente por quarks libres (u, d, s), llamadas estrellas extrañas. La desconfinación ocurre a una masa crítica cuando la presión del gas de neutrones degenerado es insuficiente.

La materia extraña es estable a presión cero, el verdadero estado fundamental. Los strangelets son gotas de quarks capaces de transformar estrellas de neutrones.

Propiedades:

• Más densas que las estrellas de neutrones.
• Cubiertas por una delgada corteza de neutrones.
• Baja tensión superficial permite cuerpos macroscópicos.
• Potencial de superconductividad vía teoría BCS.
• Energía comparable a la fusión termonuclear.

Simulaciones en JINR, CERN y el Instituto de Tokio: condensado de Bose-Einstein transicionando a una fase sólida superfluida.

Candidatos Entre Objetos Compactos

Los púlsares de rotación rápida y los restos de baja masa son prioridades. XTE J1739-285: 1122 Hz, radio 9–12 km, masa 1,2 M☉, a 13.000 años luz, en Ofiuco. Posiblemente una estructura pura de quarks bajo una envoltura gaseosa.

HESS J1731-347 (2022, Tubinga): Un resto de supernova, a 10.000 años luz, masa 0,77 M☉, radio 10,4 km. Su espectro de rayos X es anómalo para una estrella de neutrones.

Conclusiones Clave

• El plasma de quarks-gluones en núcleos de estrellas de neutrones es una versión fría de experimentos de laboratorio.
• Las colisiones y ondas gravitacionales proporcionan datos sobre viscosidad y ecuación de estado.
• Candidatos: XTE J1739-285 y HESS J1731-347 con parámetros extremos.
• La materia extraña es un estado estable que podría dominar objetos compactos.
• Observaciones futuras del SKAO aclararán la composición de los interiores estelares.

— Editorial Team