La energía necesaria para convertir una estrella de neutrones en lo que se conoce como estrella extraña, puede proceder de la aniquilación de partículas de materia oscura. Esta es la conclusión a la que llega un nuevo estudio de físicos de España, Reino Unido y Estados Unidos, que proponen que este mecanismo de conversión puede ser una buena forma de establecer un límite inferior a la masa de las partículas masivas de interacción débil (WIMPs), un candidato principal para la materia oscura.

Una vez que ha consumido su combustible nuclear, las estrellas por debajo de una cierta masa colapsan para formar estrellas de neutrones. Estos objetos increíblemente densos constan casi por completo de neutrones, habiendo forzado el colapso gravitatorio a que se fusionen protones y electrones. Se ha propuesto, no obstante, que, dada alguna fuente externa de energía adicional, las estrellas de neutrones pueden convertirse en estrellas extrañas, objetos que constan de materia extraña – una sopa de quarks up, down y strange no ligados.

La idea es que añadiendo esta energía a un cierto volumen limitado de la estrella de neutrones, se liberan los quarks up y down confinados en el interior de los neutrones. Algunos de estos quarks se convertirán entonces de forma natural en quarks strange, produciendo una región de materia extraña conocida como strangelet. Si, como se ha teorizado, la materia extraña es de hecho más estable que la materia normal nuclear, existirá a una menor energía. El exceso de energía generado por la conversión de materia normal en materia extraña libera entonces más quarks up y down, llevando a la creación de más strangelets.

El resultado es un proceso desbocado capaz de convertir toda una estrella de neutrones en materia extraña en un segundo o menos. “La estrella de neutrones es metaestable, como una persona en el saliente de una montaña”, explica Joseph Silk de la Universidad de Oxford que estuvo implicado en el trabajo. “De la misma forma que un pequeño golpe puede sacar a la persona del saliente y enviarla montaña abajo, se necesita muy poca energía para transformar una estrella de neutrones en una estrella extraña”.

¿Existe la materia extraña?

Aunque no hay una prueba clara de que realmente exista la materia extraña, la observación de estallidos de rayos gamma ultra-brillantes pero extremadamente breves procedentes del cosmos, sugieren la existencia de estrellas extrañas. Los investigadores han propuesto que la enorme energía necesaria para producir un estallido de rayos gamma podría proceder de la formación de un agujero negro, pero el gran número de partículas de materia normal que rodean al agujero podrían absorber gran parte de esa energía. La conversión de una estrella de neutrones en una estrella extraña, no obstante, podría proporcionar la energía requerida pero sin la materia de alrededor.

Sin embargo, aún queda la cuestión de dónde logra la estrella de neutrones esta chispa inicial de energía. Algunos han sugerido que simplemente procede de la energía del colapso, o de los rayos cósmicos de muy alta energía que colisionan con la estrella. Silk, sin embargo, señala que el primer mecanismo requiere que la estrella de neutrones tenga una masa mínima, y que el segundo mecanismo es problemático debido a que, según dice, sería improbable volcar esa energía en el centro de la estrella, donde es necesario que se inicie la reacción en cadena.

En lugar de esto, Silk, Angeles Pérez-García de la Universidad de Salamanca y Jirina Stone de la Universidad de Tennessee, han calculado que la aniquilación de WIMPs, que pueden acumularse en el centro de las estrellas, podrían proporcionar esta energía. De confirmarse, el mecanismo proporcionaría un nuevo e independiente límite inferior para la masa de una WIMP. Éste es de aproximadamente 4 GeV (gigaelectronvoltios), la mitad de la energía mínima que el trío ha calculado que es necesario para iniciar la conversión de la estrella de neutrones de esta forma (con cada WIMP proporcionando la mitad de la masa-energía en cada colisión).

Una nueva forma de encontrar WIMPs

Con los buscadores de materia oscura terrestres capaces de llegar hasta los 50 GeV, Silk dice que esta nueva aproximación podría proporcionar un útil complemento a los experimentos actuales. Señala que la teoría no favorece a una WIMP con masa entre 4 y 50 GeV pero que se ha sugerido una cifra de unos 10 GeV por los recientes y controvertidos resultados de los detectores terrestres.

El equipo afirma que dos líneas de observación podrían apoyar su tesis y, por tanto, ayudar a establecer un nuevo límite a la masa de las WIMPs. Una implicaría medir la masa y radio de una estrella extraña, obtenidas mediante el estudio de la radiación de los púlsares, y comparar estos valores con las predicciones hechas por su modelo y por los modelos alternativos. Las pruebas también podrían lograrse creando y luego midiendo strangelets en el RHIC en los Estados Unidos, o en el LHC del CERN en Ginebra.

Paolo Gondolo de la Universidad de Utah en los Estados Unidos cree que el nuevo mecanismo es plausible pero tiene dudas de que pueda usarse en la búsqueda de la materia oscura. “Incluso si se detecta una estrella extraña, podría ser difícil decir si se formó por la aniquilación de materia oscura”, comenta.

Un cauteloso apoyo para el mecanismo de materia oscura también llega de parte de Dejan Stojkovic de la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, quien dice que este proceso “podrían darse en la naturaleza”. Pero mantiene que la estabilidad de la estrella extraña en este escenario debe investigarse. “Si la aniquilación por WIMP es demasiado rápida o lenta, la estrella puede que nunca alcance el equilibrio termodinámico”, señala.

El trabajo se describe en Phys. Rev. Lett. 105 141101.