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(noticias nanowerk) Un nuevo análisis teórico sugiere que la probabilidad de que estrellas de neutrones masivas oculten núcleos de materia de quarks desconsolidada es de entre el 80 y el 90 por ciento. El resultado se logró mediante extensas ejecuciones en supercomputadoras utilizando inferencia estadística bayesiana.
Los núcleos de las estrellas de neutrones contienen materia con la densidad más alta que se encuentra hoy en nuestro universo, con hasta dos masas solares de materia comprimidas en una esfera de 25 km de diámetro. En realidad, estos objetos astrofísicos pueden imaginarse como núcleos atómicos gigantes, cuyos núcleos están comprimidos por la gravedad hasta una densidad que excede muchas veces la densidad de los protones y neutrones individuales.
Estas densidades hacen que las estrellas de neutrones sean objetos astrofísicos interesantes desde la perspectiva de la física nuclear y de partículas. Un problema de larga data se refiere a la cuestión de si la inmensa presión central de las estrellas de neutrones puede comprimir protones y neutrones en una nueva fase de la materia, llamada materia de quarks fríos. En este exótico estado de la materia, los protones y neutrones individuales ya no existen.
«Los quarks y gluones que los componen están liberados de su típico confinamiento de color y pueden moverse casi libremente», explica Aleksi Vuorinen, profesor de física teórica de partículas en la Universidad de Helsinki.
Un cambio de fase fuerte podría arruinar el día
En un nuevo artículo recién publicado comunicación de la naturaleza (“La materia que interactúa fuertemente exhibe un comportamiento descontinado en estrellas de neutrones masivas”), un equipo de la Universidad de Helsinki proporcionó la primera estimación cuantitativa de la probabilidad de que existan núcleos de materia de quarks en estrellas de neutrones masivas. Demostraron que, basándose en las observaciones astrofísicas actuales, la materia de quarks es casi inevitable en las estrellas de neutrones más masivas: una estimación cuantitativa que el equipo realizó sitúa la probabilidad en el rango del 80 al 90 por ciento.
La pequeña probabilidad restante de que todas las estrellas de neutrones estén compuestas únicamente de materia nuclear requiere que la transición de la materia nuclear a la materia de quarks sea una fuerte transición de fase de primer orden, algo similar a la de la transformación del agua líquida en hielo. Un cambio tan rápido en las propiedades de la materia de una estrella de neutrones puede desestabilizar la estrella hasta tal punto que la formación de incluso un pequeño núcleo de materia de quark provocaría que la estrella colapsara en un agujero negro.
La colaboración internacional entre científicos de Finlandia, Noruega, Alemania y Estados Unidos ha demostrado además cómo algún día podría confirmarse o descartarse por completo la existencia de núcleos de materia de quarks. La clave es limitar la fuerza de la transición de fase entre la materia nuclear y la de quarks. Se espera que esto sea posible una vez que algún día se registre una señal de onda gravitacional de la parte final de una fusión binaria de estrellas de neutrones.
Supercomputadora gigante funciona con datos de observación
Una parte importante para obtener los nuevos resultados fue una serie de cálculos extensos en supercomputadoras utilizando la inferencia bayesiana, una rama del razonamiento estadístico que implica inferir las probabilidades de varios parámetros del modelo mediante comparación directa con datos de observación. El componente bayesiano del estudio permitió a los investigadores derivar nuevos límites a las propiedades de la materia de las estrellas de neutrones y demostrar que se aproximan al llamado comportamiento conforme cerca de los núcleos de las estrellas de neutrones estables más masivas.
Dr. Joonas Nättilä, uno de los autores principales del artículo, describe el trabajo como un esfuerzo interdisciplinario que requirió experiencia en astrofísica, física nuclear y de partículas e informática. Se espera que comience como profesor asociado en la Universidad de Helsinki en mayo de 2024.
«Es fascinante ver en términos concretos cómo con cada nueva observación de una estrella de neutrones podemos sacar conclusiones cada vez más precisas sobre las propiedades de la materia de la estrella de neutrones».
Sin embargo, Joonas Hirvonen, estudiante de doctorado bajo la supervisión de Nättilä y Vuorinen, enfatiza la importancia de la computación de alto rendimiento: «Tuvimos que utilizar millones de horas de CPU de tiempo de supercomputadora para poder comparar nuestras predicciones teóricas con las observaciones» y la probabilidad de núcleos de materia de quarks. ¡Estamos muy agradecidos al Centro Finlandés de Supercomputación CSC por brindarnos todos los recursos que necesitábamos!
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