Extrañas estrellas extrañas


Strangers in the night… taratarata… Strangers in the night… taratarata…

Nada, no me lo tengáis en cuenta, son cosas primaveriles y tal. Pero aprovechando lo extrañados que estáis todos ante la maravillosa apertura de esta entrada vamos a hablar de materia extraña y de la posibilidad de que en nuestro universo existan estrellas formadas por quarks y algunos de ellos quarks extraños. (No diréis que no está bien traído).

Quarks

Parte de las partículas que nos rodean, y las que se producen en colisiones de alta energía están constituidas por quarks.  Si quieres refrescar la física de partículas y los quarks te dejo algunos enlaces:

  1. Partículas elementales.
  2. ¿Están los quarks dentro de los protones?

Pero para no complicarnos mucho revisaremos aquí algunas de las características esenciales de estos bichos.

Los quarks son las partículas que forman los hadrones. Estos hadrones se dividen en dos clases:

  1. Los bariones: Partículas formadas por tres quarks, como protones y neutrones.
  2. Los mesones: Partículas formadas por un quark y un antiquark.

Ilustración de Raquel García Ulldemolins

Bariones – 3 quarks. Mesones – quark/antiquark.

Las propiedades de los quarks se pueden resumir en:

  1. Presentan carga fraccionaria (tomando como unidad la carga del electrón, en valor absoluto).
  2. Interaccionan a través de la interacción débil que es capaz de convertir unos quarks en otros.
  3. Tienen una carga denominada color que los hacen sensibles a la interacción fuerte.

Que estas partículas tengan la carga de color hace que tengan unos comportamientos curiosos.  La carga de color puede tomar tres valores:

  • Rojo
  • Verde
  • Azul

Los antiquarks tienen colores antiRojo, antiVerde y antiAzul.

Resulta que en la naturaleza solo se pueden dar combinaciones neutras de la carga de color. Las combinaciones neutras son de dos tipos:

  • Presencia de tres colores Rojo-Verde-Azul.
  • Presencia de tres anticolores antiRojo-antiVerde-antiAzul.
  • Presencia de un color y su anticolor.

Esta es la razón por la que todas las partículas que conocemos que están formadas por quarks o bien tienen tres quarks, o tres antiquarks, o un quark y un antiquark.

El hecho de que los quarks solo pueden presentarse en combinaciones de color neutras nos dice que no podemos ver estos bichos aislados. Si intentamos separar un quark del interior de un protón requerimos tal energía que hace que se cree un par de quark/antiquark que enseguida se unen a los ya presentes para preservar esta neutralidad cromática. A esto es a lo que se conoce como confinamiento (del cual hablaremos en otra ocasión más extensamente).

Si intentamos separar los quarks iniciales para aislarlos tenemos que emplear una energía que es suficiente para generar un nuevo par quark/antiquark de forma que el color neutro se preserva.

Materia Quark

La materia, sin duda alguna, está formada por quarks lo que pasa es que usualmente a nuestro alrededor estos quarks están empaquetados en neutrones y protones. Una cuestión interesante es cuál es el estado de mínima energía para la materia hadrónica (la compuesta por quarks). La respuesta es simple, vemos las energías de los núcleos atómicos y vemos cual de ellos es el más estable.

A la vista de esta gráfica, el núcleo más estable es el del hierro (Fe-56). Por lo tanto esa agrupación de neutrones y protones ha de ser el estado de mínima energía para la interacción fuerte que es la que opera a nivel hadrónico.

Para más información de esta gráfica: Entendiendo el núcleo atómico.

Pero esta conclusión la hacemos para condiciones normales en las que los núcleos no están sujetos a condiciones extremas de densidad, por ejemplo. ¿Qué pasa si aumentamos mucho la densidad de la materia nuclear?

Bueno, pues se supone que entonces los hadrones empezarían a “fundirse” y los quarks ya no estaría confinados a un hadrón en particular sino que podrían ir interactúando con todos los que conformen el sistema en cuestión. Así, en vez de tener un estado de hadrones bien definidos (neutros en color), tendríamos una sopa de quarks y gluones que estarían interactúando por ahí pero no podríamos definir ningún hadrón en concreto.

Hipótesis de la materia quark extraña

Ocurre entonces que hay propuestas, como las de Bodmer, Terazawa, o el propio Edward Witten, que nos dicen que, quizás, el estado de menor energía para un sistema de quarks no sea el del Fe-56 sino una sopa formada por quarks up, down y strange (extraños):

Esto quiere decir que una sopa combinación de tres quarks (u, d, s) sería mucho más estable que la materia usual que está conformada por agrupaciones de quarks (u,d) en forma de hadrones e incluso que una sopa de quarks (u,d).

Esto, por el momento, solo es una hipótesis que no ha podido ser confirmada exactamente debido a la complejidad de cualquier verificación de este tipo en la teoría que describe la interacción fuerte, la cromodinámica cuántica.  Sin embargo, hay ciertas evidencias que hacen que no se pueda descartar del todo esta posibilidad. De ser cierta tendríamos que revisar mucho de lo que sabemos, de lo que creemos saber, en la evolución temprana de nuestro universo.

¿Dónde podríamos encontrar estas cosas?

Pues en estrellas, de neutrones.

La evolución estelar, es decir, el ciclo ‘vital’ de una estrella depende fuertemente de su masa. A mayor masa, menor tiempo de vida y más dramático y exótico su final.

Una estrella empieza a consumir su material nuclear, por fusión de Hidrógeno en primer lugar y luego comienza a fusionar átomos más pesados. Cuanto mayor es la estrella más rápido es este proceso y entran en juego cadenas más complicadas de reacciones nucleares generando elementos cada vez más pesados en su interior. Dependiendo de la masa de la estrella evolucionará hasta convertirse en una gigante roja, una enana blanca, explotar como una supernova, etc. (Algún día escribiremos sobre evolución estelar en el blog, por ahora basta con esta idea).

Cuando una estrella tiene entre 4 y 8 masas solares puede acabar como una estrella de neutrones. Esencialmente estos objetos compactos astrofísicos son un núcleo atómico gigante formado por neutrones. Estas estrellas se forman porque cuando la estrella no puede seguir fusionando elementos se enfría y por tanto se contrae por culpa de la gravedad. Los elementos más pesados se van al núcleo, que como podéis imaginar es una gran pelota muy dura, y el resto del material literalmente cae sobre este núcleo. Se suele producir un gran rebote produciendo una explosión tipo supernova. Entonces todo ese material es expulsado al espacio y “contamina” el universo con elementos pesados como el carbono, nitrógeno, oxígeno, etc. (Sí, somos polvo de estrellas andantes).

Pero queda un remanente, por causa de la gravedad este remanente tiende a colapsar, los electrones se van acercando a los núcleos y llega un momento que se combinan con los protones en un proceso que se llama captura electrónica. Como resultado tenemos neutrones. Dado que los neutrones son fermiones, tienen espín semientero, por el principio de Pauli sabemos que no pueden estar todos en el mismo estado. Dado que la gravedad es muy cabezota, se empeña justamente en eso en llevar a los neutrones al mismo estado, estos se rebelan y aparece lo que se denomina presión de degeneración que es la tendencia que tienen los fermiones a oponerse a estar en el mismo estado. Si esta presión es lo suficientemente elevada como para equilibrar la fuerza de la gravedad que intenta colapsar al cuerpo se forma una estrella de neutrones.

¿Entonces qué pasa?

Pues ocurre que la estimación de la densidad de los neutrones es de 10^{14} g/cm^3 y la estimación de la densidad del núcleo de algunas estrellas de neutrones es de 10^{16}-10^{17}g/cm^3.  A estas densidades se darían las condiciones apropiadas para tener materia quark en juego.

Además, antes hemos simplificado mucho la imagen de una estrella de neutrones. Hoy día se piensa que en tales estrellas podríamos encontrar:

  1. Neutrones, protones, electrones y muones.
  2. Bariones con quarks extraños.
  3. Condensados de mesones.

El caso es que dadas las condiciones de altísima densidad y de la presencia de quarks extraños, podríamos tener en el cielo estrellas que fueran un gran cúmulo de quarks.

De hecho, hay quien piensa que los pulsars son estrellas de quarks de rotación rápida.

De cualquier modo, aún hay mucho que estudiar en estos temas, desde la viabilidad de la materia quark, pasando por la hipótesis de la materia quark extraña hasta la observación astrofísica y posible identificación de este tipo de objeto compacto en el cielo.

Aquí solo he querido explicar que existe tal posibilidad y que, personalmente, me resulta muy interesante y atractiva.

Referencias

Strange quark matter and compact stars

Un completo trabajo, técnico, sobre el tema. En la tabla 5 propone algunos candidatos a estrellas de quarks.

Structure of quark stars

Artículo, también técnico, sobre la estructura de dichas estrellas.

Nos seguimos leyendo…

P.D.

Quizás ahora adquiera otro sentido eso de: “Strangers in the night… taratarata”

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2 Respuestas a “Extrañas estrellas extrañas

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