¿Existen las estrellas de cuarks?

Por Jaime García
Instituto Copérnico
Imagen portada: European Southern Observatory (ESO)/L. Calçada

Acabo de leer un artículo científico en Nature Physics que sugiere que las estrellas de cuarks podrían realmente existir. Si bien es un resultado preliminar, es sumamente interesante y me evoca la historia de los límites de masa para la evolución final de las estrellas.

Hasta hoy, los finales posibles para una estrella son tornarse una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro. ¿De qué depende? Evidentemente de la masa de la estrella involucrada en ese proceso terminal.

El sol transforma hidrógeno en helio y, de ese modo, produce la energía que posteriormente emite al espacio. Permanece en equilibrio porque a la presión que ejerce esa generación de energía se opone la potente gravedad provocada por la masa que posee. En un futuro muy lejano, el hidrógeno en su núcleo se agotará y, al no generar energía, el equilibrio se altera y el núcleo colapsa, lo que disminuye la distancia entre los átomos y los electrones se ven obligados a circular en un entorno reducido y a muy alta velocidad. Esto genera una presión de degeneración electrónica que frena el colapso y restablece el equilibrio. Pero para que esto ocurra es necesario que esté involucrado un cierto valor de la masa.

Hace muchos años, el astrofísico indio Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995), cuando sólo tenía 19 años, propuso la existencia de un límite de masa para que una estrella enana blanca no colapse más allá de ese nuevo estado de equilibrio y se transforme en algo de naturaleza diferente. Ese límite, hoy conocido como límite de Chandrasekhar, es de 1,44 masas solares.

¿Qué pasa si una estrella tiene más masa? Bien, la historia de los límites sigue. Cuando una estrella masiva colapsa, la gravedad es tan intensa que ya no hay espacio para la circulación de los electrones y se terminan combinando con los protones para formar neutrones. Así, queda una masa compacta de neutrones que se mantiene en equilibrio por la presión de degeneración neutrónica, derivada del principio de exclusión de Pauli, que indica que dos partículas no pueden compartir el mismo estado cuántico ni la misma posición. Esto es lo que se llama una estrella de neutrones.

Pero, una vez más, hay un límite de masa y es el conocido como límite de Tolman–Oppenheimer–Volkoff, de 2,2 masas solares, establecido, por primera vez en 1939, por J. Robert Oppenheimer (1904-1967) y George Volkoff (1914-2000), basándose en los trabajos de Richard Tolman (1881-1948).

Se supone que más allá, en términos de masa, la estrella debería colapsar en un agujero negro, pero no se han detectado ese tipo de objetos con masas menores a 5 masas solares. Eso implica que quizás existan otros tipos de límites y, consecuentemente, sendos tipos de objetos.

La materia, según el llamado modelo estándar de la física de partículas, está constituida por una serie de partículas: fermiones y bosones. Los cuarks son los fermiones elementales masivos que interactúan fuertemente formando la materia nuclear y ciertos tipos de partículas llamadas hadrones. Junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia bariónica, que es la que conocemos, de la que estamos hechos y la que observamos en el universo, a pesar de ser únicamente el 4% de lo que lo constituye. Diferentes especies de cuarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas tales como protones y neutrones.

Por lo tanto, uno de esos tipos de objetos que podría esperarse serían las estrellas de cuarks. Lo que sugiere el trabajo de Eemeli Annala, Tyler Gorda, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä y Aleksi Vuorinen, en el número de Nature Physics del 1 de junio de 2020, es que la materia en el interior de estrellas de neutrones estables de masa máxima exhibe características de fase no confinada, que interpretan como evidencia de la presencia de núcleos de materia de cuarks. Para las estrellas de neutrones más pesadas observadas de manera confiable de 2 masas solares, la presencia de materia de cuarks está relacionada con un dato observable que es la velocidad del sonido (propagación de las ondas sísmicas en el interior del objeto) y predicen que las estrellas de neutrones masivas tendrán núcleos de materia de cuarks considerables. Según lo que expresan los propios autores en el resumen, «este hallazgo tiene importantes implicaciones para la fenomenología de las estrellas de neutrones y afecta la dinámica de las fusiones de estrellas de neutrones con al menos un participante suficientemente masivo».

Con esto están refiriéndose a la detección realizada por los laboratorios LIGO y VIRGO, dedicados a las ondas gravitacionales, de la fusión de estrellas de neutrones en un evento, el GW170817, en 2017, en la galaxia cercana NGC 4993, conocido como kilonova. Ese escenario sería el lugar de creación de las estrellas de cuarks.