Astrónomos predicen un nuevo tipo de estrella electrodébil
Escrito por Kanijo en Astronomía, Física
Antes de convertirse en agujeros negros, las estrellas moribundas de una cierta masa deberían formar una nueva clase de objeto interestelar conocido como estrella electrodébil.
Cuando mueren las estrellas pequeñas, colapsan para formar estrellas de neutrones en las que el Principio de Exclusión de Pauli evita un mayor colapso. Cualquier cosa más masiva finalmente se convierte en un agujero negro (con el límite aproximadamente en 2,1 masas solares).
En los últimos años, no obstante, los astrofísicos han calculado que la evolución de una estrella a un agujero negro es más compleja de lo que se pensaba originalmente. Esto se debe a que el efecto de exclusión de Pauli se viola, la materia estelar sufre otras transiciones de fase nuclear que liberan suficiente energía para retrasar el colapso, aunque durante un tiempo relativamente corto.
Por ejemplo, los astrofísicos descubrieron recientemente un estado entre una estrella de neutrones y un agujero negro en el que la masa de las estrellas está soportada por la energía liberada cuando la materia nuclear se comprime en materia de quark. Las conocidas como estrellas de quarks se cree que son muy parecidas a las estrellas de neutrones por lo que encontrarlas será complicado.
Hoy, De-Chang Dai de la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo y algunos compañeros, proponen un tipo completamente nuevo de estrellas que se forma después de la estrella de quarks pero antes de un agujero negro. Dai y sus colegas señalan que tras la transición a quark, hay otra transición de fase predicha por el modelo estándar de la física de partículas.
Esto tiene lugar cuando los quarks son compactados tanto que se convierten en un tipo de partícula elemental conocida como leptón. Dado que los leptones experimental la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil, pero no la fuerte, el equipo llama a este proceso combustión electrodébil.
Dai y sus colegas calculan que la combustión electrodébil debería generar suficiente energía para retrasar el colapso unos 10 millones de años. Eso significa que debería haber bastantes estrellas electrodébiles ahí fuera, si es que los astrónomos pueden encontrarlas.
Qué aspecto tendría las estrellas electrodébiles es algo que no está claro aún. Dai y sus colegas dicen que esto no dependerá del núcleo de la estrella donde tiene lugar la combustión electrodébil, sino de la estructura de su capa externa donde se producen los fotones que es probable que captemos en la Tierra. “Evaluar la visibilidad de estos fascinantes nuevos objetos requiere un cuidadoso modelado de su estructura externa para determinar la luminosidad y espectro del fotón”, dice el equipo.
Calcular cómo se comportará esta capa es una tarea difícil pero una en la que el equipo está trabajando para próximas publicaciones. Pero aquí tienes una pista, no lo sabremos con seguridad hasta que Dai y sus colegas terminen de hacer los cálculos pero una buena apuesta es que las estrellas electrodébiles serán más o menos indistinguibles de las estrellas de neutrones. ¡Qué pena!
Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/0912.0520: Electroweak Stars: How Nature May Capitalize on the Standard Model’s Ultimate Fuel
Fecha Original: 10 de diciembre de 2009
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Indistinguibles no, porque salvo que haya entendido mal, estas especies estelares serían inestables y acabarían evolucionando hacia un agujero negro, en tanto que una de neutrones típica no. Y la transición de una a otra fase tiene que dejar un tipo de huella distinto que un paso directo a agujero negro, imagino.
Aparte del tema; ¿podria pioner el tema de la muerte de Carl Sagan qe sera el 20 diciembre’ como recuerdo.
Sorprendente artículo que nos habla de estrellas nuevas y donde el equipo de un tal De -Chang Day, nos dice que puede haber un nuevo tipo de estrella que se forman después de las estrellas de Quarks y antes de pasar a ser un agujero negro. Lo curioso del caso es que, aún está por encontrarse la estrella de Quarks y ya estamos a vueltas con la que podría ser su seguidora en la evolcuión.
También es curioso leer que, la compresión de los quarks nos llevan a la formación de leptones que sería, finalmente, el material de esa supuesta estrella.
Detodas las maneras y antes de entrar en la estrella electrodébil o como quiera que se la pueda denominar, tendsríamos que pararnos un poco an la que se formaría anteriormente.
La Hipótesis de estrella de Quarks (EQs) podría responder a muchos interrogantes surgidos a partir de observaciones astrofísicas que no coinciden con los modelos canónicos teóricos de las Estrellas de Neutrones (ENs). Decimos que son hipotéticas porque se conjetura que estarían formadas por Materia Extraña (ME). La comunidad astrofísica espera evidencias observacionales que permitan diferenciarlas de las ENs, ya que podrían explicar un conjunto de observaciones astronómicas que aún resultan una incógnita. Es sabido que una EN es el remanente del colapso de una estrella masiva. El colapso de la estrella, la supernova, da lugar a un núcleo compacto hiperdenso de hierro y otros metales pesados que sigue comprimiéndose y calentándose. Su densidad continúa aumentando, dando lugar a una “neutronización“ (recombinación de electrones con protones que resultan en neutrones) y el gas degenerado de neutrones frena el colapso del remanente.
Una EQ, a diferencia de una EN, no se originaría necesariamente de una evolución estelar después del agotamiento del combustible nuclear de una estrella normal. Sería, probablemente, producto de la transición de fase hadrón-quark a altísima densidad. La Cromodinámica Cuántica (CDC), la Teoría de las Interacciones Fuertes que ocurren dentro de los nucleones (protones y neutrones), concibe teóricamente la idea de la transición de fase hadrón-quark a temperaturas y/ o densidades extremadamente altas con el consecuente desconfinamiento de quarks y gluones, que formarían una especie de “sopa “. Sin embargo, los quarks libres no se han encontrado aún, en uno u otro límite, en ningún experimento terrestre.
La “sopa“ que mencionamos antes, se conoce como Plasma Quark-Gluón ( PQG ). En el límite de altas temperaturas, el PQG está tratando de obtenerse en el laboratorio y existen fuertes indicios de que se logre con éxito experimentos de altas energías como el Colisionador Relativista de Iones Pesados (conocido por sus siglas en inglés como RHIC) de Brookhaven, New York.
Por otro lado, se espera que a través de observaciones astronómicas se compruebe que la transición a altas densidades se hubiese producido en el interior de alguna EN. Esto se debe a que los valores de densidades estimados para que dicha transición tuviese lugar coinciden con densidades del orden de (3 – 12) ρ0 ( siendo ρ0 ̃ 0, 17 fmˉ ³ la densidad de equilibrio nuclear ) que son típicas del interior de las ENs. Los cálculos basados en diferentes ecuaciones de estado de la materia nuclear muestran estos resultados, por lo que sería razonable que el núcleo de las ENs estuviese formado por materia de quarks.
Recientemente, la relación entre campo magnéticos y materia densa está atrayendo la atención de los astrofísicos, especialmente después de las observaciones de emisiones peculiares de pulsares anómalos de rayos X, que se interpretan como ENs en rotación, y de emisiones de radiación γ de baja energía de los llamados repetidores de rayos γ suaves ( SGRs – soƒt gamma-ray repeaters ). El motor central de esas radiaciones podría ser un campo magnético mayor que 4 x 10¹³ Gauss, que es el campo crítico previsto por la Electrodinámica Cuántica.
Muchas observaciones astronómicas indirectas sólo se explicarían a través de la existencia de campos magnéticos muy intensos en los núcleos de ENs en EQs, de manera que el papel que juega el campo magnético en la ME aún constituye un problema abierto y de sumo interés en la Astrofísica.
En particular, en un trabajo reciente, se ha analizado la ME considerando neutralidad de carga, equilibrio β y conservación del número bariónico. En dicho trabajo se obtuvo una cota superior para el valor del campo magnético que determina una transición de fase cuya explicación requiere ser estudiada en profundidad ya que sería independiente de la interacción fuerte entre los quarks. También se ha comprobado que la presencia de de campos magnéticos intensos favorece la estabilidad de la ME.
Por otro lado, estudios teóricos han demostrado que si la materia es suficientemente densa, la materia de quarks deconfinada podría estar en un estado superconductor de color. Este estado estaría formado por pares de quarks, análogos a los pares de Cooper (constituidos por electrones) existentes en los superconductores ordinarios.
Los quarks, a diferencia de los electrones, poseen grados de libertad asociados con el color, el sabor y el espín. Por este motivo, dependiendo del rango de densidades en el cual estamos trabajando, algunos patrones de apareamiento pueden verse favorecidos generando la aparición de distintas fases superconductoras de color. Según estudios teóricos, la fase superconductora más favorecida a densidades extremadamente altas sería la Color Flavor Locked (CFL), en la cual los quarks u, d y se poseen igual momento de Fermi, y en el apareamiento participan los tres colores y las dos proyecciones de espín de cada uno de ellos. Estudios recientes sobre la fase CFL han incluido los efectos de campos magnéticos intensos, obteniendo que bajo determinadas condiciones el gap superconductor, que corresponde a la separación entre bandas de energía en el espectro fermiónico, crece con la intensidad del campo. A esta fase se la llama Magnetic Color Flavor Locked ( MCFL ).
En la superconductividad electromagnética usual, un campo magnético suficientemente fuerte destruye el estado superconductor. Para la superconductividad de color no existe aún un consenso de cómo, la presencia del campo magnético, podría afectar al apareamiento entre los quarks.
En este trabajo describiremos brevemente la materia extraña, con el objetivo de explicar su formación en el interior de una EN y entender la composición y características de una EQ. Posteriormente, utilizaremos el modelo fenomenológico de bag del Massachussets Institute of Technology (MIT) para encontrar las ecuaciones de estado de la ME en condiciones determinadas, comprobando la estabilidad de la misma, frente a la materia de quarks ordinaria formada sólo por quarks u y d. Presentaremos, además, algunas candidatas posibles a EQs según observaciones astrofísicas. Por último, trataremos de entender la superconductividad de color y la influencia del campo magnético intenso en las fases superconductoras.
Materia de Quarks:
Uno de los mayores logros alcanzados por los físicos en el último siglo, fue la construcción del Modelo Estándar en la física de partículas elementales. Este modelo sostiene que la materia en el Universo está compuesta por fermiones, divididos en quarks y leptones, que interactúan a través de los llamados bosones de calibre: el fotón (interacción electromagnética), los bosones W± y Zº (interacción débil), y 8 tipos de gluones (interacción fuerte). Junto con los bosones de calibre, existen tres generaciones de fermiones: ( v e, e ), u, d ); ( vµ, µ ), ( c, s ) ; ( v….); y sus respectivas antipartículas. Cada “ sabor “ de los quarks, up ( u ), down ( d ), charme ( c ), strange ( s , top ( t ) y bottom ( b), tiene tres colores ( el color y el sabor son números cuánticos ). La partícula que aún no ha sido descubierta experimentalmente es el bosón de Higgs, que cabe suponer sería responsable del origen de la masa de las partículas.
Los quarks son los componentes fundamentales tanto de los hadrones fermiónicos (bariones formados por la combinación de tres quarks) como de los bosónicos (mesones formados por un quark y un antiquark). ES sabido que el núcleo de un átomo está compuesto por nucleones (protones y neutrones) que a su vez están compuestos por quarks (protón = udd). David Gross y Franks Wilczek y David Politzer, descubrieron teóricamente que en la CDC el acoplamiento efectivo entre los quarks disminuye a medida que la energía entre ellos aumenta (libertad asintótica). La elaboración de esta teoría permitió que recibieran el Premio Nobel de Física en el año 2004. En los años 60, la libertad asintótica fue comprobada experimentalmente en el acelerador lineal de Stanford (SLAC).
Sin embargo, la CDC no describe completamente el deconfinamiento en un régimen de alta densidad y baja temperatura, debido a su complejidad matemática y a su naturaleza no lineal para bajas energías. No obstante, es posible recurrir a una descripción fenomenológica para intentar entender la física de la formación de la materia de quarks en las ENs. La materia de quarks, es decir, el plasma de quarks deconfinados y gluones, es una consecuencia directa de la libertad asintótica cuando la densidad bariónica o la temperatura son suficientemente altas como para considerar que los quarks son partículas más fundamentales que los neutrones o protones. Esta materia, entonces, dependiendo de la temperatura y del potencial químico (µ) de los quarks, aparecería esencialmente en dos regímenes. Uno de ellos, el PQG, constituiría la fase “caliente“ de la materia de quarks cuando T >> …
Bueno esto se alarga mucho y nel trabajo me reclama. Si tengo tiempo volveré sobre el tema que, desde luego, puede llegar a ser fascinante si la motivación dada por los científicos es consistente con lo que podría ser.