Las entrañas de una estrella de neutrones se abren al debate
Crédito de la imagen: MACIEJ REBISZ/QUANTA MAGAZINE
Por Joshua Sokol, para Wired • 4 de noviembre de 2017
LAS ALERTAS EMPEZARON en la madrugada del 17 de agosto. Las ondas gravitacionales producidas por el naufragio de dos estrellas de neutrones-densos núcleos de estrellas muertas-habían pasado por la Tierra. Los más de mil físicos del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser avanzado se apresuraron a descifrar las vibraciones espaciotemporales que recorrían los detectores como un estruendo de truenos. Miles de astrónomos se apresuraron a presenciar el resplandor. Pero oficialmente, toda esta actividad se mantuvo en secreto. Los datos tenían que ser recopilados y analizados, los documentos escritos. El mundo exterior no lo sabría por dos meses más.
La prohibición estricta puso a Jocelyn Read y Katerina Chatziioannou, dos miembros de la colaboración de LIGO, en una situación un poco incómoda. En la tarde del día 17, los dos estaban programados para dirigir un panel en una conferencia dedicada a la cuestión de qué sucede bajo las condiciones casi insondables en el interior de una estrella de neutrones. El tema de su panel? Cómo se vería una fusión de estrellas de neutrones. "Nos fuimos al café y nos quedamos sentados mirándonos", dijo Read, profesor de la Universidad Estatal de California en Fullerton. "OK, ¿cómo vamos a hacer esto?"
Los físicos han pasado décadas debatiendo si las estrellas de neutrones contienen nuevas formas de materia, creadas cuando las estrellas descomponen el mundo familiar de protones y neutrones en nuevas interacciones entre los quarks u otras partículas exóticas. Responder a esta pregunta también iluminaría los misterios astronómicos que rodean a las supernovas y la producción de los elementos pesados del universo, como el oro.
Además de observar las colisiones usando LIGO, los astrofísicos han estado ocupados desarrollando formas creativas para sondear estrellas de neutrones desde el exterior. El desafío es entonces inferir algo sobre las capas ocultas dentro. Pero esta señal de LIGO y otros similares, emitidos cuando dos estrellas de neutrones hacen piruetas alrededor de su centro de masa, se jalan mutuamente como caramelo, y finalmente se unen, ofrecen una nueva forma de manejar el problema.
Extraña materia
Una estrella de neutrones es el núcleo comprimido de una estrella masiva: las cenizas súper densas que quedan después de una supernova. Tiene la masa del sol, pero está comprimida en un espacio del ancho de una ciudad. Como tales, las estrellas de neutrones son las reservas más densas de materia en el universo: "lo último en la línea antes de un agujero negro", dijo Mark Alford, físico de la Universidad de Washington en St. Louis.
Perforar en uno nos llevaría al límite de la física moderna. Un centímetro o dos de átomos normales, hierro y silicio, en su mayoría, incrusta la superficie como la chapa roja brillante en el Gobstopper más denso del universo. Entonces los átomos se comprimen tan cerca que pierden sus electrones, que caen en un mar compartido. Más profundo, los protones dentro de los núcleos comienzan a convertirse en neutrones, que se agrupan tan cerca que comienzan a superponerse.
Crédito de la imagen: LUCY READING-IKKANDA/FERYAL ÖZEL/QUANTA MAGAZINE
Pero los teóricos discuten sobre lo que ocurre más adelante, cuando las densidades se arrastran dos o tres veces más que la densidad de un núcleo atómico normal. Desde la perspectiva de la física nuclear, las estrellas de neutrones podrían ser protones y neutrones, colectivamente llamados nucleones, hasta el final. "Todo puede explicarse por variaciones de nucleones", dijo James Lattimer, astrofísico de la Universidad de Stony Brook.
Otros astrofísicos sospechan lo contrario. Los nucleones no son partículas elementales. Están compuestos por tres quarks. Bajo una inmensa presión, estos quarks podrían formar un nuevo estado de materia de quarks. "Los núcleos no son bolas de billar", dijo David Blaschke, físico de la Universidad de Wroclaw en Polonia. "Son como las cerezas. Así que puedes comprimirlos un poco, pero en algún momento los aplastas ".
Pero para algunos, la perspectiva de un atasco de quarks como este es un escenario relativamente vainilla. Los teóricos han especulado durante mucho tiempo que capas de otras partículas extrañas podrían surgir dentro de una estrella de neutrones. A medida que los neutrones se empujan más juntos, toda esa energía adicional puede crear partículas más pesadas que contengan no solo los quarks "ascendentes" y "descendentes" que constituyen exclusivamente protones y neutrones, sino también quarks "extraños" más pesados y exóticos.
Por ejemplo, los neutrones pueden ser reemplazados por hiperones, partículas de tres quarks que incluyen al menos un quark extraño. Los experimentos de laboratorio pueden hacer hiperones, pero desaparecen casi de inmediato. En el fondo de las estrellas de neutrones, pueden ser estables durante millones de años.
Alternativamente, las profundidades ocultas de las estrellas de neutrones podrían estar llenas de kaones, también hechos con extraños quarks, que se juntan en un solo trozo de materia que comparte el mismo estado cuántico.
Durante décadas, sin embargo, el campo se ha estancado. Los teóricos inventan ideas sobre lo que podría estar pasando dentro de las estrellas de neutrones, pero ese ambiente es tan extremo y desconocido que los experimentos aquí en la Tierra no pueden alcanzar las condiciones adecuadas. En Brookhaven National Laboratory y CERN, por ejemplo, los físicos destrozan núcleos pesados como los de oro y plomo. Eso crea un estado espeso de materia compuesto por quarks liberados, conocido como plasma de quark-gluón. Pero este material está enrarecido, no es denso, y en miles de millones o billones de grados, es mucho más caliente que el interior de la estrella de neutrones, que se encuentra en los millones comparativamente fríos.
Incluso la teoría de quarks y núcleos "cromodinámica cuántica", o QCD, de décadas de antigüedad, realmente no puede dar respuestas. Los cálculos necesarios para estudiar QCD en entornos relativamente fríos y densos son tan devastadoramente difíciles que ni siquiera las computadoras pueden calcular los resultados. Los investigadores se ven obligados a recurrir a la simplificación excesiva y los atajos.
La única otra opción es que los astrónomos estudien estrellas de neutrones. Desafortunadamente, las estrellas de neutrones son distantes, por lo tanto débiles, y difíciles de medir para cualquier cosa que no sean las propiedades de volumen básico. Peor aún, la física verdaderamente interesante está sucediendo bajo la superficie. "Es un poco como este laboratorio que está haciendo cosas increíbles", dijo Alford, "pero lo único que se te permite hacer es ver cómo sale la luz por la ventana".
Sin embargo, con una nueva generación de experimentos en línea, los teóricos pronto podrían obtener su mejor apariencia.
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Crédito de la imagen: MACIEJ REBISZ/QUANTA MAGAZINE
Por Joshua Sokol, para Wired • 4 de noviembre de 2017
LAS ALERTAS EMPEZARON en la madrugada del 17 de agosto. Las ondas gravitacionales producidas por el naufragio de dos estrellas de neutrones-densos núcleos de estrellas muertas-habían pasado por la Tierra. Los más de mil físicos del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser avanzado se apresuraron a descifrar las vibraciones espaciotemporales que recorrían los detectores como un estruendo de truenos. Miles de astrónomos se apresuraron a presenciar el resplandor. Pero oficialmente, toda esta actividad se mantuvo en secreto. Los datos tenían que ser recopilados y analizados, los documentos escritos. El mundo exterior no lo sabría por dos meses más.
La prohibición estricta puso a Jocelyn Read y Katerina Chatziioannou, dos miembros de la colaboración de LIGO, en una situación un poco incómoda. En la tarde del día 17, los dos estaban programados para dirigir un panel en una conferencia dedicada a la cuestión de qué sucede bajo las condiciones casi insondables en el interior de una estrella de neutrones. El tema de su panel? Cómo se vería una fusión de estrellas de neutrones. "Nos fuimos al café y nos quedamos sentados mirándonos", dijo Read, profesor de la Universidad Estatal de California en Fullerton. "OK, ¿cómo vamos a hacer esto?"
Los físicos han pasado décadas debatiendo si las estrellas de neutrones contienen nuevas formas de materia, creadas cuando las estrellas descomponen el mundo familiar de protones y neutrones en nuevas interacciones entre los quarks u otras partículas exóticas. Responder a esta pregunta también iluminaría los misterios astronómicos que rodean a las supernovas y la producción de los elementos pesados del universo, como el oro.
Además de observar las colisiones usando LIGO, los astrofísicos han estado ocupados desarrollando formas creativas para sondear estrellas de neutrones desde el exterior. El desafío es entonces inferir algo sobre las capas ocultas dentro. Pero esta señal de LIGO y otros similares, emitidos cuando dos estrellas de neutrones hacen piruetas alrededor de su centro de masa, se jalan mutuamente como caramelo, y finalmente se unen, ofrecen una nueva forma de manejar el problema.
Extraña materia
Una estrella de neutrones es el núcleo comprimido de una estrella masiva: las cenizas súper densas que quedan después de una supernova. Tiene la masa del sol, pero está comprimida en un espacio del ancho de una ciudad. Como tales, las estrellas de neutrones son las reservas más densas de materia en el universo: "lo último en la línea antes de un agujero negro", dijo Mark Alford, físico de la Universidad de Washington en St. Louis.
Perforar en uno nos llevaría al límite de la física moderna. Un centímetro o dos de átomos normales, hierro y silicio, en su mayoría, incrusta la superficie como la chapa roja brillante en el Gobstopper más denso del universo. Entonces los átomos se comprimen tan cerca que pierden sus electrones, que caen en un mar compartido. Más profundo, los protones dentro de los núcleos comienzan a convertirse en neutrones, que se agrupan tan cerca que comienzan a superponerse.
Crédito de la imagen: LUCY READING-IKKANDA/FERYAL ÖZEL/QUANTA MAGAZINE
Pero los teóricos discuten sobre lo que ocurre más adelante, cuando las densidades se arrastran dos o tres veces más que la densidad de un núcleo atómico normal. Desde la perspectiva de la física nuclear, las estrellas de neutrones podrían ser protones y neutrones, colectivamente llamados nucleones, hasta el final. "Todo puede explicarse por variaciones de nucleones", dijo James Lattimer, astrofísico de la Universidad de Stony Brook.
Otros astrofísicos sospechan lo contrario. Los nucleones no son partículas elementales. Están compuestos por tres quarks. Bajo una inmensa presión, estos quarks podrían formar un nuevo estado de materia de quarks. "Los núcleos no son bolas de billar", dijo David Blaschke, físico de la Universidad de Wroclaw en Polonia. "Son como las cerezas. Así que puedes comprimirlos un poco, pero en algún momento los aplastas ".
Pero para algunos, la perspectiva de un atasco de quarks como este es un escenario relativamente vainilla. Los teóricos han especulado durante mucho tiempo que capas de otras partículas extrañas podrían surgir dentro de una estrella de neutrones. A medida que los neutrones se empujan más juntos, toda esa energía adicional puede crear partículas más pesadas que contengan no solo los quarks "ascendentes" y "descendentes" que constituyen exclusivamente protones y neutrones, sino también quarks "extraños" más pesados y exóticos.
Por ejemplo, los neutrones pueden ser reemplazados por hiperones, partículas de tres quarks que incluyen al menos un quark extraño. Los experimentos de laboratorio pueden hacer hiperones, pero desaparecen casi de inmediato. En el fondo de las estrellas de neutrones, pueden ser estables durante millones de años.
Alternativamente, las profundidades ocultas de las estrellas de neutrones podrían estar llenas de kaones, también hechos con extraños quarks, que se juntan en un solo trozo de materia que comparte el mismo estado cuántico.
Durante décadas, sin embargo, el campo se ha estancado. Los teóricos inventan ideas sobre lo que podría estar pasando dentro de las estrellas de neutrones, pero ese ambiente es tan extremo y desconocido que los experimentos aquí en la Tierra no pueden alcanzar las condiciones adecuadas. En Brookhaven National Laboratory y CERN, por ejemplo, los físicos destrozan núcleos pesados como los de oro y plomo. Eso crea un estado espeso de materia compuesto por quarks liberados, conocido como plasma de quark-gluón. Pero este material está enrarecido, no es denso, y en miles de millones o billones de grados, es mucho más caliente que el interior de la estrella de neutrones, que se encuentra en los millones comparativamente fríos.
Incluso la teoría de quarks y núcleos "cromodinámica cuántica", o QCD, de décadas de antigüedad, realmente no puede dar respuestas. Los cálculos necesarios para estudiar QCD en entornos relativamente fríos y densos son tan devastadoramente difíciles que ni siquiera las computadoras pueden calcular los resultados. Los investigadores se ven obligados a recurrir a la simplificación excesiva y los atajos.
La única otra opción es que los astrónomos estudien estrellas de neutrones. Desafortunadamente, las estrellas de neutrones son distantes, por lo tanto débiles, y difíciles de medir para cualquier cosa que no sean las propiedades de volumen básico. Peor aún, la física verdaderamente interesante está sucediendo bajo la superficie. "Es un poco como este laboratorio que está haciendo cosas increíbles", dijo Alford, "pero lo único que se te permite hacer es ver cómo sale la luz por la ventana".
Sin embargo, con una nueva generación de experimentos en línea, los teóricos pronto podrían obtener su mejor apariencia.
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