Las estrellas de neutrones masivas podrían contener núcleos hechos de materia de quarks desconfinada

Los núcleos de las estrellas de neutrones contienen materia en las densidades más altas de nuestro Universo. Esta materia altamente comprimida podría sufrir una transición de fase durante la cual la materia nuclear se funde en materia de quarks desconfinada, liberando los quarks y gluones que la componen. Pero actualmente se desconoce si la transición tiene lugar dentro de al menos algunas estrellas de neutrones físicas. En un nuevo estudio, físicos de la Universidad de Helsinki, la Universidad de Stavanger, el Instituto Flatiron y la Universidad de Columbia cuantificaron esta probabilidad combinando información de observaciones astrofísicas y cálculos teóricos.

Las estrellas de neutrones son objetos astrofísicos extremos que contienen la materia más densa que se encuentra en el Universo actual.

Tienen un radio de unos 10 km (6 millas) y una masa de alrededor de 1,4 masas solares.

“Un problema abierto desde hace mucho tiempo es si la inmensa presión central de las estrellas de neutrones puede exprimir protones y neutrones en una fase llamada materia fría de quarks. En este estado exótico, los protones y neutrones individuales ya no existen”, afirmó el profesor Aleksi Vuorinen de la Universidad de Helsinki.

«Los quarks y gluones que los constituyen se liberan de su típico confinamiento de color y pueden moverse casi libremente».

En su nuevo artículo, el profesor Vuorinen y sus colegas han proporcionado la primera estimación cuantitativa de la probabilidad de la presencia de núcleos de quarks y materia dentro de estrellas de neutrones masivas.

Demostraron que, basándose en las observaciones astrofísicas actuales, la materia de quarks es casi inevitable en las estrellas de neutrones más masivas: una estimación cuantitativa que extrajeron sitúa la probabilidad entre el 80 y el 90 por ciento.

La baja probabilidad restante de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas únicamente de materia nuclear requiere que la transición de la materia nuclear a la materia de quarks sea una fuerte transición de fase de primer orden, algo parecida a la del agua líquida transformándose en hielo.

Este tipo de cambio rápido en las propiedades de la materia de una estrella de neutrones tiene el potencial de desestabilizar la estrella de tal manera que la formación de incluso un pequeño núcleo de materia de quarks haría que la estrella colapsara en un agujero negro.

Impresión artística de las diferentes capas dentro de una estrella de neutrones masiva, donde el círculo rojo representa un gran núcleo de materia de quarks. Crédito de la imagen: Jyrki Hokkanen, CSC.

«Un ingrediente clave para obtener los nuevos resultados fue un conjunto de cálculos masivos de supercomputadoras que utilizan la inferencia bayesiana, una rama de la deducción estadística en la que se infieren las probabilidades de diferentes parámetros del modelo mediante comparación directa con datos de observación», explicaron los autores.

«La componente bayesiana nos permitió deducir nuevos límites para las propiedades de la materia de las estrellas de neutrones, demostrando que se acercan al llamado comportamiento conforme cerca de los núcleos de las estrellas de neutrones estables más masivas».

«Es fascinante ver en la práctica cómo cada nueva observación de estrellas de neutrones nos permite inferir las propiedades de la materia de las estrellas de neutrones con una precisión cada vez mayor», añadió el Dr. Joonas Nättilä de la Universidad de Helsinki.

«Tuvimos que utilizar millones de horas de computación en una supercomputadora para poder comparar nuestras predicciones teóricas con las observaciones y limitar la probabilidad de los núcleos de materia y quarks», dijo Joonas Hirvonen, estudiante de doctorado en el Instituto Flatiron y la Universidad de Columbia. .

“Estamos muy agradecidos al Centro de Supercomputación CSC de Finlandia por brindarnos todos los recursos que necesitábamos. »

EL papel fue publicado en la revista Comunicaciones naturales.

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E. Annala y otros. 2023. La materia que interactúa fuertemente exhibe un comportamiento desconfinado en estrellas de neutrones masivas. Nat común 14, 8451; doi: 10.1038/s41467-023-44051-y