Imagínese cocinar pasta a una temperatura de más de un billón de grados. Pero este no es un plato cualquiera del domingo por la noche; es la «pasta nuclear» que se encuentra dentro de las estrellas de neutrones. Los investigadores acaban de revelar que estas extrañas formas nucleares penetran mucho más profundamente en los núcleos de las estrellas de neutrones de lo que jamás creímos posible, y que esto puede alterar radicalmente las propiedades de esas estrellas muertas.
Estrellas de neutrones son la definición misma de extremo. Los núcleos sobrantes de algunas de las estrellas más masivas del universo suelen acumular material equivalente a unos pocos soles en un volumen no mayor que Manhattan. Para alcanzar esas increíbles densidades, la materia dentro de ellos se comprime tanto que se rompen los enlaces atómicos e incluso nucleares. Es simplemente un mar gigante y caliente de neutrones, electrones y protones que flotan libremente, unidos entre sí a través de complejas interacciones del fuerza nuclear fuerte.
Dadas estas condiciones extremas, los astrónomos aún no entienden exactamente cómo se compone la materia de las estrellas de neutrones. Una posibilidad es que las estrellas de neutrones sean en realidad híbridas. Su corteza y sus capas exteriores están compuestas casi exclusivamente de neutrones, con algunos electrones y protones añadidos a la mezcla. Pero sus núcleos experimentan presiones y densidades tan extremas que incluso los neutrones se descomponen, dejando tras de sí un denso semilíquido de quarks, el constituyente más fundamental de la materia.
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La relación entre el núcleo de quarks y la capa exterior de neutrones determina las propiedades generales de la estrella de neutrones: cómo gira, cómo vibra cuando la corteza exterior se agrieta y cómo se comporta cuando choca con otras estrellas de neutrones en una explosión conocida como una kilonova. Las estrellas de neutrones que tienen un corte pronunciado entre el núcleo y las capas exteriores se comportarán de manera diferente a las estrellas de neutrones con una mezcla gradual entre esas regiones. Sin embargo, como no tenemos estrellas de neutrones cerca para abrirlas e investigarlas, tenemos que recurrir a modelos teóricos para intentar comprender sus interiores.
Un par de físicos teóricos han aceptado el desafío. En un documento presentado el 26 de agosto a la base de datos de preimpresión arXivaplicaron los últimos modelos de cuarc y comportamiento de los neutrones en el interior de las estrellas de neutrones. En su trabajo, que aún no ha sido revisado por pares, se centraron en esta elusiva y compleja zona de transición entre el núcleo del quark y las capas externas de neutrones, especialmente cuando se trata de la apariencia de… pasta.
Estos no son macarrones comunes y corrientes. La «pasta» nuclear en esta zona de transición está formada por grupos compactos de neutrones sumergidos en un mar de quarks. Su apariencia proviene de la compleja interacción de fuertes fuerzas nucleares y electromagnéticas, que hacen que los neutrones se doblen y retuerzan en una variedad de formas extrañas a lo largo de la zona de transición. Cuando los físicos descubrieron por primera vez estas estructuras, encontraron una variedad de formas interesantes: grupos, tubos, varillas y burbujas, que se asemejan a la fantástica variedad de formas de pasta que se encuentran en la cocina italiana. (La metáfora funcionó aún mejor una vez que se dieron cuenta de que la «pasta nuclear» estaba sumergida en un baño caliente de quarks, como una olla de agua hirviendo.) Finalmente, a profundidades suficientemente profundas, las presiones se vuelven demasiado intensas y la pasta se desintegra en una mar de quarks.
Los investigadores observaron el importante papel de la tensión de curvatura, que es la resistencia de una forma curva a las transformaciones que intentan enderezarla. La tensión de curvatura es similar a la tensión superficial más familiar, donde un líquido resiste fuerzas externas que intentan penetrar su superficie.
Los investigadores descubrieron que las tensiones de curvatura pueden favorecer algunas formas, permitiendo que la pasta ahora «cocida» llegue más profundamente al núcleo del quark, mientras que otras formas no se ven favorecidas. Específicamente, descubrieron que los tubos y las burbujas pueden sobrevivir a densidades mucho más altas de lo que se pensaba anteriormente, gracias a las contribuciones de la tensión de curvatura, mientras que las gotas y las varillas no duran mucho.
Estos pueden parecer pequeños cambios, pero potencialmente pueden tener grandes impactos. Cuando las estrellas de neutrones chocan, lo que provoca explosiones de kilonovas, los detalles de esa explosión (lo más importante, la capacidad de esa explosión para producirse) producen muchos de los elementos más pesados de la tabla periódica — dependen del interior de las estrellas de neutrones. Las diferencias en la profundidad con la que los neutrones llegan al núcleo y las formas que adoptan pueden cambiar la evolución de estas explosiones.
El siguiente paso de los investigadores es desarrollar esta línea de pensamiento e investigar cómo podemos utilizar explosiones de kilonovas para revelar las estructuras detalladas del interior de las estrellas de neutrones, especialmente todas las sabrosas formas de neutrones.
