¿Qué son las Estrellas de Quarks?


El término «estrella de quarks» o estrella extraña, es usado para denominar un tipo de estrella exótica en la cual, debido a la alta densidad, la materia existe en forma de quarks desconfinados. Lo anterior es comúnmente llamado un plasma de quarks-gluones; una fase de la cromodinámica cuántica que existe cuando la temperatura y/o la densidad son muy altas.

Este estado de la materia podría encontrarse en regiones internas de estrellas de neutrones, o bien componer la totalidad de la estrella. En el segundo caso, la materia no se mantendría unida por la atracción gravitacional, sino por la interacción fuerte entre los quarks. En este caso, la estrella se dice autoligada. Las estrellas de quarks tienen una densidad muy superior a una estrella de neutrones y a la vez muy inferior a la de un agujero negro.

Si bien no se han observado objetos que puedan ser asociados a estrellas compuestas completamente de quarks, la existencia de quarks desconfinados en el interior de estrellas de neutrones no está descartada, ya que la composición de la materia a esas densidades (ρ ~ 10 ^15 g/cm ^3) es aún incierta.

Materia degenerada
Se denomina materia degenerada a aquella en la cual una fracción importante de la presión proviene del principio de exclusión de Pauli, que establece que dos fermiones no pueden tener los mismos números cuánticos.

Antecedentes
Algunas estrellas masivas colapsan para formar estrellas de neutrones al final de su ciclo de vida. Bajo las temperaturas y presiones extremas dentro de las estrellas de neutrones, los neutrones normalmente se mantienen separados por una presión de degeneración, estabilizando la estrella y obstaculizando un mayor colapso gravitacional.

Sin embargo, se presume que, bajo una temperatura y presión aún más extremas, se supera la presión de degeneración de los neutrones, y los neutrones se ven obligados a fusionarse y disolverse en sus quarks constituyentes, creando una fase ultradensa de materia de quarks basada en quarks densamente "empaquetados". En este estado, se predice que surgirá un nuevo equilibrio, ya que se producirá una nueva presión de degeneración entre los quarks, así como fuerzas electromagnéticas repulsivas que dificultarán el colapso gravitacional.

Si estas teorías astrofísicas son correctas, las estrellas de quarks podrían aparecer y ser observables en algún lugar del universo. Teóricamente, tal escenario se considera científicamente plausible, pero ha sido imposible probarlo tanto a nivel observacional como experimental, porque las condiciones extremas necesarias para estabilizar la materia de los quarks no se pueden recrear en ningún laboratorio ni se pueden observar directamente en la naturaleza. La estabilidad de la materia de los quarks y, por tanto, por estas razones, la existencia de las estrellas de quarks se encuentra entre los problemas no resueltos de la física moderna.

Si se pueden formar estrellas de quarks, entonces el lugar más probable para encontrar materia de estrellas de quark sería dentro de las estrellas de neutrones que excedan la presión interna necesaria para la degeneración de los quarks, el punto en el que los neutrones se descomponen en una forma de materia densa de quarks.

Las estrellas de quarks también podrían formarse si una estrella masiva colapsa al final de su vida, siempre que sea posible que una estrella sea lo suficientemente grande como para colapsar más allá de una estrella de neutrones, pero no lo suficientemente grande como para formar un agujero negro.

Si existieran, las estrellas de quarks se parecerían a las estrellas de neutrones y serían fácilmente confundidas: se formarían en la muerte de una estrella masiva en una supernova Tipo II, serían extremadamente densas y pequeñas, y poseerían un campo gravitacional muy alto. También carecerían de algunas características de las estrellas de neutrones, a menos que también contuvieran una capa de materia de neutrones, porque no se espera que los quarks libres tengan propiedades que coincidan con la materia de neutrones degenerados. Por ejemplo, pueden no tener tamaños típicos, campos electromagnéticos o temperaturas de superficie, en comparación con las estrellas de neutrones.

Formación
Se teoriza que cuando la materia degenerada de neutrones, que forma las estrellas de neutrones, se ve sometida a la presión suficiente de la propia gravedad de la estrella o de la supernova inicial que la crea, los neutrones individuales se descomponen en sus quarks constituyentes (quarks arriba y quarks abajo), formando lo que se conoce como materia de quarks. Esta conversión podría limitarse al centro de la estrella de neutrones o podría transformar toda la estrella, dependiendo de las circunstancias físicas. Tal estrella se conoce como una estrella de quarks.

Estabilidad y materia extraña de quarks
La materia ordinaria del quark que consiste en quarks arriba y abajo (también conocidos como quarks u y d) tiene una Energía Fermi muy alta, en comparación con la materia atómica ordinaria, y es estable solo bajo temperaturas y / o presiones extremas.

Esto sugiere que las únicas estrellas de quark estables serían las estrellas de neutrones con un núcleo de materia de quarks, mientras que las estrellas de quarks que consisten completamente en materia ordinaria de quarks serían altamente inestables y se disolverían espontáneamente.

Se ha demostrado que la Energía de Fermi alta que hace que los quarks ordinarios sean inestables a bajas temperaturas y presiones, puede reducirse sustancialmente mediante la transformación de un número suficiente de quarks arriba y abajo en quarks extraños, ya que los quarks extraños son, relativamente hablando, un tipo de partículas de quarks muy pesados.

Este tipo de materia de quarks se conoce específicamente como "materia extraña de quarks", y se especula y está sujeta a la investigación científica actual para determinar si de hecho podría ser estable en las condiciones del espacio interestelar (es decir, presión y temperatura externas cercanas a cero). Si este es el caso, las estrellas de quarks, hechas completamente de materia de quarks, serían estables si se transforman rápidamente en materia extraña de quarks.

Características
Las estrellas de quarks tienen algunas características especiales que las separan de las estrellas de neutrones comunes.

Primeramente entendamos algunas caracteristicas de los quarks. Los quarks poseen carga de color. Teniendo carga eléctrica, masa, color y sabor, los quarks son las únicas partículas elementales conocidas que se involucran en las cuatro interacciones fundamentales de la física contemporánea: electromagnetismo, gravitación, interacción nuclear fuerte y nuclear débil.

Bajo las condiciones físicas que se encuentran dentro de las estrellas de neutrones, con densidades extremadamente altas, pero temperaturas muy por debajo de los 10 ^12 K (Kelvin), se predice que la materia de quarks exhibiría algunas características peculiares; se espera que se comporte como un líquido de Fermi e ingrese en una fase de superconductividad del color, denominada color-sabor bloqueado (CSB, para abreviar), dónde el "color" se refiere a las seis "cargas" exhibidas en la fuerza nuclear fuerte, en lugar de las cargas positiva y negativa en el electromagnetismo.

La superconductividad del color es un fenómeno que se prevé que ocurra en los quarks si la densidad de bariones es suficientemente alta y la temperatura no es demasiado alta (por debajo de los 10 ^12 kelvin). Las fases superconductoras de color deben contrastarse con la fase normal de la materia de los quarks, que es solo un líquido de quarks de Fermi que interactúa débilmente.

El bloqueo de color-sabor es un fenómeno que se espera que ocurra en materia extraña de densidad ultra alta, en definitiva una forma de materia de quark. Los quarks forman pares de Cooper, cuyas propiedades de color se correlacionan con sus propiedades de sabor en una correspondencia uno a uno entre tres pares de colores y tres pares de sabores. De acuerdo con el Modelo Estándar de la física de partículas, la fase de «color-sabor bloqueado» es la fase de mayor densidad de materia coloreada de tres sabores.

A densidades ligeramente más bajas, correspondientes a capas altas, más cercanas a la superficie de una estrella compacta, la materia de quarks se comportaría como un líquido de quarks no CSB, una fase que es aún más misteriosa que el color-sabor bloqueado y puede incluir conductividad de color y/o varias fases aún por descubrir. Actualmente, ninguna de estas condiciones extremas puede recrearse en laboratorios, por lo que no se puede inferir nada sobre estas fases a partir de experimentos directos.

Si la conversión de la materia degenerada de neutrones en materia de quarks (extraño) es total, una estrella de quarks se puede imaginar, hasta cierto punto, como un gigantesco hadrón único. Pero este "hadrón" estará atado por la gravedad, en lugar de estar atado por la fuerza nuclear fuerte que une a los hadrones ordinarios.

Estrellas de neutrones sobredensas
Al menos bajo los supuestos mencionados anteriormente, la probabilidad de que una estrella de neutrones dada sea en realidad una estrella de quarks, es baja, por lo que en la Vía Láctea solo habría una pequeña población de estrellas de quarks.

Si esto es correcto, sin embargo, que las estrellas de neutrones demasiado densas pueden convertirse en estrellas de quarks, eso hace que el número posible de estrellas de quarks sea mayor de lo que se pensaba originalmente, ya que los investigadores estarían buscando el tipo de estrella equivocado.

Las observaciones del Observatorio de rayos X Chandra el 10 de abril de 2002 detectaron dos posibles estrellas de quarks, designadas RX J1856.5-3754 y 3C58, que anteriormente se pensaba que eran estrellas de neutrones.

Basándonos en las leyes conocidas de la física, el primer objeto parecía mucho más pequeño y el segundo mucho más frío de lo que debería ser, lo que sugiere que están compuestos por un material de mayor densidad que la materia degenerada. No obstante, los resultados no son concluyentes; y desde finales de la década del 2000, se ha excluido la posibilidad de que RX J1856 sea una estrella de quarks.

Otra estrella, denominada XTE J1739-285, ha sido observada por un equipo dirigido por Philip Kaaret de la Universidad de Iowa, y documentada como posible candidato a estrella de quarks.

En 2006, You-Ling Yue y sus colegas de investigación, de la Universidad de Pekín, sugirieron que PSR B0943 + 10 podría ser una estrella de quarks de baja masa.

En 2008 se informó que las observaciones de las supernovas SN 2006gy, SN 2005gj y SN 2005ap, también fueron propuestas como estrellas quarks.

Se ha sugerido que el núcleo colapsado de la supernova SN 1987A puede ser una estrella de quarks.

En 2015, Zi-Gao Dai de la Universidad de Nanjing, y sus colegas de investigación, sugirieron que la supernova ASASSN-15lh es una estrella de quarks recién nacida.

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