La formación de una estrella de neutrones podría despertar el vacío

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Estrella de neutrones vs estrella extrañaAunque el espacio vacío está repleto de campos cuánticos, su efecto es normalmente sutil. Pero en los ejemplares del 23 de abril y el 8 de octubre de la revista Physical Review Letters, los teóricos demuestran que bajo ciertas condiciones – tales como durante la formación de una estrella de neutrones – estos campos pueden crecen hasta eclipsar cualquier materia que haya en la vecindad. Una mayor exploración de cómo funciona este “despertar del vacío” podría transformar nuestra visión de algunos eventos astrofísicos.

El espacio vacío está lleno de una especie de fantasmal fondo de ondas mecánico-cuánticas de todas las frecuencias posibles. Éstas incluyen no sólo las ondas electromagnéticas y otras fuerzas, sino ondas que representan partículas como los electrones. La cantidad de energía en estas ondas es pequeña, pero nunca es cero, como una cuerda que siempre tiene algo de vibración y nunca está completamente quieta y recta.

Daniel Vanzella de la Universidad de São Paulo en São Carlos, Brasil, y sus colegas se preguntaron cómo afecta la gravedad a la energía contenida en el espacio vacío. Dado que no hay una teoría cuántica de la gravedad completa, usaron una aproximación establecida conocida como teoría de campo cuántico en espacio-tiempos curvados (QFTCS). Esta técnica usa la mecánica cuántica estándar para describir todos los campos excepto la gravedad, y luego incluye los efectos gravitatorios de una forma diferente. De acuerdo con la relatividad general, la fuerza gravitatoria surge a partir de un espacio-tiempo común que se ve distorsionado o curvado por la presencia de masa y energía. Por lo que la QFTCS usa este espacio-tiempo relativista en lugar de un espacio y tiempo comunes para los cálculos cuánticos.

Vanzella y sus colegas no analizaron todos los campos concebibles, sino sólo el campo más simple, conocido como campo escalar. Este campo es genérico – podría ser una versión simplificada del campo electromagnético, o podría representar una partícula aún no descubierta. Siguiendo el procedimiento estándar, dejaron sin especificar un parámetro clave de este campo: el parámetro “acoplamiento” que cuantifica la atracción o repulsión del campo en regiones muy curvadas del espacio-tiempo.

En el artículo de abril, Vanzella y el estudiante graduado William Lima, analizaron la energía del vacío para un espacio-tiempo que se inicia con una distribución de masa uniforme en el pasado lejano (espacio-tiempo plano) y luego evoluciona hacia concentraciones fijas de masa (cúmulos) en el futuro lejano. La energía del vacío resultante depende de la masa y el tamaño de los cúmulos, y del parámetro de acoplamiento. El sorprendente resultado fue que, para algunas combinaciones de valores, incluso después de que la distribución de masa dejase de cambiar, la densidad de la energía del vacío sigue creciendo exponencialmente en el tiempo en la vecindad de los cúmulos. Finalmente, la densidad de energía del vacío en estas regiones supera a la de la materia común, por lo que el vacío empieza a distorsionar el espacio-tiempo incluso más de lo que lo hace la materia.

Para ver si este efecto tiene lugar en la práctica, Lima y Vanzella se unieron a George Matsas de la Universidad Estatal de São Paulo en su último trabajo, para examinar un modelo de espacio-tiempo muy curvado que aparece durante la formación de una estrella de neutrones ultra-densa. Para algunos valores razonables de masa y tamaño de la estrella, predicen que la energía del vacío crecerá en apenas milisegundos en algunos valores del parámetro de acoplamiento. En este punto, la energía del vacío empezaría a inducir efectos gravitatorios adicionales, los cuales aún no se han calculado, por lo que no saben cómo se vería afectada la estrella. Si posteriores investigaciones demuestran que tal estrella de neutrones sería inestable, la existencia de las estrellas de neutrones de ciertos tamaños podrían descartar la existencia de campos del tipo que modelan.

Vanzella advierte que el trabajo no ha seguido por el momento cómo modifica el crecimiento de la energía del vacío la curvatura del espacio-tiempo, ni tampoco los efectos resultantes sobre la estrella de neutrones. “En este punto, no han realizado la resolución numérica de las ecuaciones de Einstein con reacción en el campo”, concuerda Leonard Parker de la Universidad de Wisconsin en Milwaukee. “Es una invitación para realizar más investigación”.


Autor: Don Monroe
Fecha Original: 1 de octubre de 2010
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