Fusionando estrellas de neutrones

Simulación de fusión de estrellas de neutrones calculadas con supercomputadoras. Diferentes colores muestran la densidad de la masa y la temperatura un tiempo después de que se haya producido la fusión y poco antes de que el objeto se colapse en un agujero negro. Se espera que los quarks se formen donde la temperatura y la densidad son más altas. Crédito: Copyright: C. Breu, L. Rezzolla

La opción de medir las ondas gravitacionales de dos estrellas de neutrones que se fusionan ha ofrecido la oportunidad de responder algunas de las preguntas fundamentales sobre la estructura de la materia. A las extremadamente altas temperaturas y densidades en la fusión, los científicos conjeturan una transición de fase en la que los neutrones se disuelven en sus componentes: los quarks y los gluones. En la edición actual de Physical Review Letters, dos grupos de investigación internacionales informan sobre sus cálculos de cómo sería la firma de dicha transición de fase en una onda gravitacional. 

Los quarks, los bloques de construcción más pequeños de la materia, nunca aparecen solos en la naturaleza. Siempre están estrechamente unidos dentro de los protones y neutrones. Sin embargo, las estrellas de neutrones, que pesan tanto como el Sol, pero al ser del tamaño de una ciudad como Frankfurt, poseen un núcleo tan denso que puede ocurrir una transición de materia de neutrones a materia de quarks. Los físicos se refieren a este proceso como una transición de fase, similar a la transición de líquido-vapor en el agua. En particular, tal transición de fase es en principio posible cuando la fusión de estrellas de neutrones forma un objeto metaestable muy masivo con densidades superiores a las de los núcleos atómicos y con temperaturas 10,000 veces más altas que en el núcleo del Sol. 

La medición de las ondas gravitacionales emitidas por la fusión de estrellas de neutrones podría servir como un mensajero de las posibles transiciones de fase en el espacio exterior. La transición de fase debe dejar una firma característica en la señal de onda gravitacional. Los grupos de investigación de Frankfurt, Darmstadt y Ohio (Goethe University / FIAS / GSI / Kent University), así como de Darmstadt y Wroclaw (GSI / Wroclaw University) utilizaron supercomputadores modernos para calcular cómo podría ser esta firma. Para ello, utilizaron diferentes modelos teóricos de la transición de fase. 

En caso de que se produzca una transición de fase más después de la fusión real, pequeñas cantidades de quarks aparecerán gradualmente a lo largo del objeto fusionado. "Con la ayuda de las ecuaciones de Einstein, pudimos demostrar por primera vez que este cambio sutil en la estructura producirá una desviación en la señal de onda gravitacional hasta que la estrella de neutrones masivos recién formada se colapse bajo su propio peso para formar un negro Agujero ", explica Luciano Rezzolla, quien es profesor de astrofísica teórica en la Universidad de Goethe. 

En los modelos por ordenador del Dr. Andreas Bauswein de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt, una transición de fase ya ocurre directamente después de la fusión: se forma un núcleo de materia de quark en el interior del objeto central. "Logramos demostrar que en este caso habrá un cambio distinto en la frecuencia de la señal de onda gravitacional", dice Bauswein. "Por lo tanto, identificamos un criterio medible para una transición de fase en las ondas gravitacionales de las fusiones de estrellas de neutrones en el futuro". 

No todos los detalles de la señal de onda gravitacional son medibles con detectores de corriente todavía. Sin embargo, serán observables tanto con la próxima generación de detectores como con un evento de fusión relativamente cercano a nosotros. Dos experimentos ofrecen un enfoque complementario para responder a las preguntas sobre la materia del quark: Al colisionar iones pesados ​​en la configuración HADES existente en GSI y en el futuro detector CBM en la Instalación para Antiprotón e Ion Research (FAIR), que actualmente está en construcción. En GSI, se producirá materia nuclear comprimida. En las colisiones, podría ser posible crear temperaturas y densidades similares a las de una fusión de estrellas de neutrones. Ambos métodos proporcionan nuevos conocimientos sobre la aparición de transiciones de fase en materia nuclear y, por lo tanto, en sus propiedades fundamentales. 

Fuente: Asociación Helmholtz,