Un nuevo análisis teórico muestra que la probabilidad de que estrellas de neutrones masivas oculten un núcleo de materia de quarks es de entre el 80% y el 90%. Los resultados se obtuvieron mediante ejecuciones de supercomputadoras a gran escala utilizando métodos de inferencia estadística bayesiana. El núcleo de una estrella de neutrones contiene la mayor densidad de materia del universo actual, comprimiendo hasta dos masas solares en una esfera de 25 kilómetros de diámetro. De hecho, se puede pensar en estos objetos como núcleos atómicos gigantes, cuya gravedad comprime sus núcleos a densidades muchas veces mayores que las de los protones y neutrones individuales.
Estas densidades hacen que las estrellas de neutrones sean objetos astrofísicos interesantes desde la perspectiva de la física de partículas y la física nuclear. Una pregunta de larga data es si la enorme presión central de una estrella de neutrones puede comprimir protones y neutrones en una nueva sustancia llamada materia fría de quarks. En este extraño estado de la materia, los protones y neutrones individuales ya no existen.
"Los quarks y gluones que los componen están libres de sus típicas limitaciones de color y pueden moverse casi libremente", explica Aleksi Vuorinen, profesor de física teórica de partículas en la Universidad de Helsinki.
En un nuevo artículo recién publicado en la revista Nature Communications, un equipo de investigación centrado en la Universidad de Helsinki hizo la primera estimación cuantitativa de la posibilidad de que aparezca un núcleo de materia de quarks dentro de una estrella de neutrones masiva. Su estudio muestra que, según las observaciones astrofísicas actuales, la materia de quarks es casi inevitable en las estrellas de neutrones más masivas: las estimaciones cuantitativas extraídas por el equipo sitúan esta posibilidad entre un 80% y un 90%.
La probabilidad restante de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas únicamente de materia nuclear es pequeña, lo que requiere que el cambio de materia nuclear a materia de quarks sea una fuerte transición de fase de primer orden, algo similar al proceso de transformación del agua líquida en hielo. Cambios tan rápidos en las propiedades de la materia de la estrella de neutrones tienen el potencial de desestabilizarla hasta el punto en que la formación de incluso un núcleo minúsculo de materia de quarks causaría que la estrella de neutrones colapsara en un agujero negro.
Una colaboración internacional entre científicos de Finlandia, Noruega, Alemania y Estados Unidos sugiere además que la existencia de un núcleo de materia quark algún día podría confirmarse o descartarse por completo. La clave es poder controlar la fuerza de la transición de fase entre la materia nuclear y la materia de quarks, lo que se espera que sea posible una vez que algún día se registre la señal de onda gravitacional producida por la parte final de la fusión de estrellas de neutrones binarias.
Aprovechar los datos de observación para operaciones de supercomputadoras a gran escala
Un factor clave para llegar a los nuevos resultados fue un conjunto de cálculos de supercomputadoras a gran escala utilizando la inferencia bayesiana, una rama de la inferencia estadística que infiere la probabilidad de diferentes parámetros del modelo mediante comparación directa con los datos observados. La parte de inferencia bayesiana del estudio permitió a los investigadores derivar nuevos límites en las propiedades materiales de las estrellas de neutrones, demostrando que se acercan al llamado comportamiento conforme cerca de los núcleos de estrellas de neutrones máximamente estables.
El Dr. Joonas Nättilä, uno de los autores principales del artículo, cree que este trabajo es interdisciplinario y requiere experiencia en astrofísica, física de partículas, física nuclear e informática. Comenzará a trabajar como profesor asociado en la Universidad de Helsinki en mayo de 2024.
"Es fascinante que cada nueva observación de una estrella de neutrones nos permita inferir las propiedades del material de la estrella de neutrones con una precisión cada vez mayor".
Por otro lado, Joonas Hirvonen, estudiante de doctorado que trabaja bajo la supervisión de Neytilai y Wurinen, destacó la importancia de la informática de alto rendimiento:
"Tuvimos que utilizar millones de horas de CPU de supercomputadora para comparar nuestras predicciones teóricas con las observaciones y determinar la posibilidad de un núcleo de materia de quarks. ¡Estamos muy agradecidos al Centro Finlandés de Supercomputadoras CSC por proporcionarnos todos los recursos que necesitamos!"
Referencia: "La materia que interactúa fuertemente exhibe un comportamiento desconfinador en estrellas de neutrones masivas", autor: Eemeli Annala, Tyler Gorda, Joonas Hirvonen, Oleg Komoltsev, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä y Aleksi Vuorinen, 19 de diciembre de 2023, "Naturaleza - Comunicaciones".
DOI:10.1038/s41467-023-44051-y
Fuente compilada: ScitechDaily