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Publicado en 'Physical Review Letters'

Un estudio indaga sobre la posibilidad de que los púlsares estén formados de materia de quarks

Un trabajo de investigadores del Instituto de Ciencias del Espacio del CSIC sugiere que, de los púlsares conocidos, el 25% de ellos podría estar formado enteramente por materia de quarks. El trabajo también revela, siempre en el campo teórico, que esta familia de estrellas de quarks no podría rotar a velocidades superiores a una revolución por segundo.

Imagen tomada por el Hubble de la nebulosa y el pulsar del Cangrejo, que son el resto de una supernova observada por astrónomos chinos en el siglo XI. Este pulsar gira sobre si mismo a 30 revoluciones por segundo. Foto: cortesía de J. Hester and P. Scowen (ASU) y NASA.

¿De qué están formados los púlsares? Los púlsares son estrellas muy compactas y con elevados campos magnéticos, que se han originado durante las explosiones (supernovas) de estrellas muy masivas. Otro dato bien conocido de los púlsares observados hasta la fecha es su velocidad de rotación pero, en cambio, no hay tanta certeza sobre su composición.

El estudio está firmado por los investigadores Massimo Mannarelli, Cristina Manuel, ambos del CSIC, y Basil Sa'd, de la Universidad Goethe de Franckfurt (Alemania) y se acaba de publicar en la revista Physical Review Letters. Aunque se trata de un trabajo teórico y preliminar, es interesante porque revela que las propiedades rotacionales de los púlsares esconden información muy relevante sobre su composición.

Las partículas más buscadas

La comunidad científica busca desde hace tiempo señales de materia de quarks en diferentes escenarios astrofísicos, y también en laboratorios terrestres, tales como el CERN. Su hallazgo confirmaría las predicciones de la teoría de las interacciones nucleares y ayudaría a entender, entre otras cosas, la evolución cosmológica del Universo microsegundos después del Big Bang. La comunidad científica también trabaja con la hipótesis de que la materia de quarks pueda ser parte constituyente de la denominada materia oscura del Universo.

La física predice que a densidades muy elevadas los neutrones y los protones se funden en sus constituyentes básicos, los quarks, las partículas elementales de la materia. En la vida real no hay ninguna situación en la que la densidad sea tal que los neutrones se descompongan en sus quarks, de forma que estos últimos sólo han podido ser detectados con herramientas muy sofisticadas como los grandes aceleradores de partículas. No obstante, los púlsares podrían ser una de esas situaciones reales aunque, eso sí, muy lejana físicamente.

Se sabe que los púlsares son objetos con una altísima densidad: tienen un radio de decenas de kilómetros pero con tanta masa como la de nuestro Sol, explica Cristina Manuel, una de las investigadoras del estudio del ICE. “Con densidades muy elevadas las estrellas colapsan sobre sí mismas formando agujeros negros. Pero a densidades por encima de la nuclear, y por debajo de la del colapso gravitatorio, podrían existir estrellas de quarks”.Si existiera un objeto así, con una densidad tan elevada ¿cómo se comportaría? ¿en qué se diferenciaría de las estrellas de neutrones?

Velocidad máxima de rotación

Para contestar a estas preguntas, el estudio del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC) ha intentado averiguar cuál es la velocidad máxima de rotación que puede soportar una estrella de quarks de las características de un púlsar. Para ello han estudiado las pulsaciones y oscilaciones que hay en cualquier estrella que rota. Estas pulsaciones y oscilaciones son los llamados “Modos R” (R-Mode), corrientes que se forman en el fluido de la estrella y que son análogas a las corrientes que se forman en otros fluidos geofísicos como el océano o en la atmósfera. “Cuando se establece un balance sobre todos los procesos y fuerzas que experimentan los modos r”, detalla Cristina Manuel, “se puede determinar la velocidad de rotación máxima que un material concreto puede soportar”.

Y eso, la velocidad de rotación de los púlsares, es algo que se conoce bien. En la actualidad se conocen alrededor de 2000 púlsares de los que se sabe con buena precisión su velocidad de rotación, que va desde las 0,2 hasta las 716 revoluciones por segundo. Se trata de velocidades asombrosas. Hay púlsares que dan varios centenares de vueltas por segundos lo que implica, detalla Cristina Manuel, que deben ser objetos con unas densidades extraordinarias. Si no fuera así, a esa velocidad, la materia saldría disparada por la fuerza centrífuga.

El resultado del equipo del ICE revela que si existiera una estrella de quarks, de densidad muy elevada, ésta no podría rotar a velocidades superiores a una revolución por segundo. Los resultados del trabajo implican que el 75% de los púlsares observados hasta el momento no puede estar totalmente formado por materia de quarks, aunque no descarta que dicho material pueda hallarse en el núcleo de la estrella. El 25% restante podría estar formado enteramente por materia de quarks. Sin embargo, habría que estudiar otras propiedades de esas estrella para poder descartar o no la presencia de materia de quarks.

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Referencia bibliográfica:

Massimo Mannarelli, Cristina Manuel, Basil A.Sa’d. Phys. Rev. Lett. 101, 241101 (2008). Mutual Friction in a Cold Color-Flavor-Locked Superfluid and r-Mode Instabilities in Compact Stars. URL: http://link.aps.org/abstract/PRL/v101/e241101

Fuente: CSIC
Derechos: Creative Commons

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