En el año 2012 el telescopio Subaru, del Observatorio Nacional de Japón (NAOJ) y situado en Hawaii, logró ver algo a la mayor distancia hasta la fecha. Gracias a sus espejos de 8,2 metros de diámetro, logró captar una galaxia, llamada SXDF-NB1006-2, cuya principal peculiaridad es estar situada a una distancia de 13.100 millones de años luz. Aparte del récord, esta lejana galaxia se convirtió en una ventana al Universo más remoto en el tiempo: aquel que existió hace 13.100 millones de años, y «solo» 700 millones de años después del Big Bang.

En un primer momento se encontraron trazas de hidrógeno, el material básico con el que se construyeron las primeras galaxias. Pero los investigadores quisieron también saber si había algo más. Gracias al potente telescopio ALMA, situado en Chile, los científicos encontraron evidencias de la presencia de oxígeno, un elemento que nunca se había descubierto tan lejos y que podría servir para explicar un fenómeno conocido como «reionización cósmica». El hallazgo ha sido publicado este jueves en Science.

«Ver elementos pesados en el Universo temprano es esencial para saber cómo se formaron estrellas en ese periodo», ha dicho Akio Inoute, investigador en la Universidad Osaka Sangyo, Japón, y principal autor del estudio. Y no solo eso: «Estudiar elementos pesados nos da también una pista para entender cómo se formaron las galaxias y qué causó la reionización cósmica», ha añadido.

¿En qué consiste ese fenómeno? Hoy en día el Universo es rico en una gran variedad de elementos y está repleto de estrellas y galaxias. Pero no siempre fue así. Cientos de millones de años después del Big Bang, el Universo era un lugar muy oscuro en el que no había estrellas ni galaxias. Fue la «reionización cósmica» la que lo cambió todo.

El fin de la «Edad oscura»

Se liberaron las fotones y se hizo la luz. El Universo dejó de ser opaco

Antes de eso, el Universo estaba sumido en un periodo conocido como «Edad oscura». Por entonces, centenares de millones de años después del Big Bang, la materia estaba más apelmazada y caliente que hoy en día, y estaba compuesta por protones, neutrones y electrones. Con el tiempo esta «sopa» se fue enfriando, de modo que los protones y los neutrones comenzaron a combinarse para generar hidrógeno y helio ionizados, los elementos más básicos y sencillos de toda la tabla periódica. A medida que estos elementos fueron atrayendo los electrones, el espacio dejó de ser opaco para la luz y se volvió transparente. Y así, ¡se hizo la luz!

Todo esta etapa de la «reionización cósmica» es el periodo más antiguo en la vida del Universo al que se puede acceder a través de telescopios, puesto que antes de eso no había luz (al menos si las teorías no se equivocan). Por suerte, muchos científicos consideran que es posible ver cosas aún más antiguas recurriendo a las ondas gravitacionales.

Sea como sea, parece que fue cientos de millones de años después de esta reionización cósmica, cuando las condiciones permitieron que se formaran las primeras fuentes de luz: las estrellas, unas inmensas centrales nucleares capaces de fundir hidrógeno y helio y producir átomos más pesados. La «Edad oscura» del Universo tocaba a su fin.

A pesar de la importancia de este fenómeno, que cambió por completo la naturaleza del Universo, lo cierto es que no se sabe mucho acerca de cómo o por qué ocurrió. Por fortuna, el telescopio ALMA permitió obtener algunas pistas.

El pasado más remoto al alcance

Todo comenzó en junio de 2015, cuando se logró detectar la luz procedente del oxígeno ionizado en SXDF-NB1006-2. Con este vistazo a un momento antiquísimo del Universo, los investigadores se llevaron varias sorpresas. «Algo extraño podría estar ocurriendo en esa galaxia», dijo Inoue.

¿Cuál es el motivo de su sorpresa? Básicamente, haber encontrado una cantidad total de elementos pesados de solo el 10 por ciento de la que hay en el Universo actual, y, además, una cantidad muy pequeña de polvo interestelar. Por último, tampoco se encontraron lecturas de carbono, un elemento que es clave para justificar la posibilidad de que una estrella pueda estar implicada en la «reionización cósmica».

Estrellas contra la oscuridad

Que no haya carbono ni polvo indica que las estrellas gigantes que hay en la región, una docena de veces más pesadas que el sol y que producen una intensa luz ultravioleta, podrían haber sido capaces de tener un papel protagonista en la reionización. El motivo es que tanto el polvo como el carbono pueden frenar la luz. Por eso, tanto estas estrellas como esta galaxia podrían ser los protagonistas típicos de una historia que fue la que permitió que el Universo fuera dejando atrás la «Edad oscura».

«Este es el primer paso para entender qué tipo de objetos causaron el fenómeno de la”reionización cósmica”», ha explicado Yoichi Tamura, investigador de la Universidad de Tokio. «Nuestras próximas observaciones con ALMA ya han comenzado. Si conseguimos observaciones de mayor resolución podremos ver la distribución y el movimiento del oxígeno en la galaxia y conseguir información crucial para entender sus propiedades».

Explorar ese rincón tan lejano del Universo no ha sido sencillo: no ha bastado con apuntar el telescopio en la dirección correcta; ha hecho falta hacer complejas simulaciones de ordenador para tratar de predecir el brillo de esas regiones tan remotas en el tiempo y en el espacio.

En este caso, cuanto más lejos se mira más atrás en el tiempo se llega. Aparte de satisfacer la gran curiosidad de entender cómo se formó y cómo se originó el Universo, gracias a trabajos como este también se puede entender cómo se formó la materia, y qué secretos esconde aún en su interior.

  Nunca podremos saberlo todo

En alguna ocasión hemos hablado aquí de la posibilidad de que puedan existir estrellas de Quarks que, como creemos saber, serían los componentes más simples de la materia que, se juntan en tripletes para formar hadrones y en pares antagónicos (quark y anti quark) para formar mesones. Por ejemplo, Para que una EN se transformara en una Estrella de Quark pura, necesitamos algún mecanismo mediante el cual su densidad aumente cada vez más. Pensemos, por ejemplo, que la Estrella de Neutrones forma parte de un sistema binario. Para considerar que dos estrellas están en un sistema binario, debe analizarse su proximidad comparando el tamaño de las mismas con el radio del lóbulo de Roche, que es la región que define el campo de la acción gravitatoria de una estrella sobre otra.

Si el radio de cada estrella es menor que el lóbulo de Roche, las estrellas están desconectadas. Por el contrario, si una de ellas llena el lóbulo de Roche, el sistema es semiconectado y la materia puede fluir a través del punto de Lagrange interno. El potencial gravitatorio de un sistema binario se consume la masa de la estrella compañera. Cuando la masa de la EN alcanza el valor de ~2 M (M corresponde a la masa solar), sufre un colapso gravitatorio, pudiéndose transformar en una EQ.

¿Podría el colapso de una supernova dar origen a la formación de una EQ? Esta pregunta nos conduce a otra hipótesis teórica acerca de la formación de la EN, hay conservación del momento angular. La proto-estrella de neutrones tiene una fracción pequeña de su radio original, que era el de la supernova, por lo que su momento de inercia se reduce bruscamente. Como resultado, la EN se forma con una altísima velocidad de rotación que disminuye gradualmente. Los períodos de rotación se hacen cada vez más largos debido a la pérdida de energía rotacional por la emisión de vientos de electrones y positrones y de la radiación bipolar electromagnética. Cuando la alta frecuencia de rotación o el campo electromagnético alcanzan un valor crítico, la EN se transforma en un pulsar que emite pulsos del orden de los milisegundos. Debido a la enorme fuerza centrífuga en estos objetos, la estructura interna se modifica, pudiendo alcanzar una densidad crítica por encima de la que corresponde a la transición de fase hadrón-quark. En estas condiciones, la fase de materia nuclear relativamente incomprensible se convertiría en la fase de ME, más comprensible, cuyo resultado final sería la aparición de una EQ.

La identificación de una EQ requiere señales observacionales consistentes. Con esto nos referimos a propiedades físicas de la estrella tales como su masa máxima, radio, período mínimo de rotación, enfriamiento por emisión de neutrinos. Todas estas propiedades dependen de una única ecuación de estado para la materia densa de quarks que aún no ha sido completamente establecida. Sin embargo, existe un rango de valores aceptados para las cantidades antes mencionadas, con base en datos observacionales recientes, que marcarían importantes diferencias entre las posibles EQs y los demás objetos compactos.

                                La Interacción fuerte mantiene unidos y confinados a los Quarks

Un rasgo característico de las EQs es que la materia no se mantendría unida por la atracción gravitacional, como ocurre en las ENs, sino que sería consecuencia directa de la interacción fuerte entre los quarks. En este caso, la estrella se dice autoligada. Esto implica una diferencia sustancial entre las ecuaciones de estado para las dos clases de estrellas. Las correcciones perturbativas a la ecuación de estado de la materia de quarks y los efectos de superconductividad de color complican aun más este punto. Otra característica para poder diferenciar las Eqs de las Ens es la relación entre su masa M y el radio R. Mientras que para una EQ, M ~ R³. De acuerdo con esta relación, las Eqs tendrían radios más pequeños que los que usualmente se le atribuyen a las Ens. Además, las Eqs violarían el llamado límite de Eddington. Arthur Eddington (1882-1994) observó que las fuerzas debido a la radiación y a la gravitación de las estrellas normales dependían del inverso del cuadrado de la distancia. Supuso, entonces, que ambas fuerzas podían estar relacionadas de algún modo, compensándose para que la estrella fuera más estable. Para estrellas de altísima masa, la presión de radiación es la dominante frente a la gravitatoria. Sin embargo, debería existir una presión de radiación máxima para la cual la fuerza expansiva debido a la radiación se equilibrara con la gravedad local. Para una estrella normal, el límite de Eddington está dado por una ecuación que omito para no hacer más complejo el tema.

                           Eta Carinae es una buena muestra de cómo el límite de Eddintong funciona

Para cualquier valor de radiación que supere este límite, no habrá equilibrio hidrostático, causando la pérdida de masa de la estrella normal. El mecanismo de emisión en una EQ produciría luminosidades por encima de dicho límite. Una posible explicación a este hecho sería que la EQ es autoligada y por lo tanto su superficie alcanzaría temperaturas altísimas con la consecuente emisión térmica.

Por otro lado, una alternativa para explicar algunas observaciones de destellos de rayos γ, sería suponer que las emisiones provienen de Eqs con radios R ~ 6 km, valores demasiados pequeños si pensáramos que los destellos provienen de ENs. En esta sección, hemos presentado algunas características de las Eqs que las diferenciarían de las Ens. Futuras evidencias experimentales y observacionales nos permitirían saber si las Eqs realmente existen en la naturaleza.

El mes de febrero de 1987 fue la primera oportunidad de poner a prueba, a través de las observaciones directas, las teorías modernas sobra la formación de las supernovas. En el observatorio de Las Campanas, en Chile, fue observada la Supernova 1987A en la Gran Nube de Magallanes. Algunas características de la emisión de neutrinos de la SN 1987A, podrían explicarse sin una hipotética fuente de energía subnuclear como la Materia Extraña contribuyera a su explosión. El remanente estelar que ha quedado como consecuencia de la explosión de la Supernova 1987A, podría ser una Estrella de Quarks, ya que el período de emisión de este pulsar es de P= 0.5 ms. Una Estrella de Neutrones canónica no podría tener una frecuencia de rotación tan alta.

Supernova SN 1987A: ue una supernova que tuvo lugar en las afueras de la Nebulosa de la Tarántula (NGC 2070), situada en la Gran Nube de Magallanes, galaxia enana cercana perteneciente al Grupo Local. Ocurrió aproximadamente a 168.000 años luz (51,4 kiloparsecs) de la Tierra,¹ lo suficientemente cerca para ser visible a simple vista. Fue la supernova más cercana observada desde SN 1604, que apareció en la Vía Láctea. La luz de la supernova llegó a la Tierra el 23 de febrero de 1987. Como fue la primera supernova descubierta en 1987, fue designada “1987A”

El observatorio Chandra de rayos X de la NASA también encontró dos estrellas inusuales: la fuente RX J1856.5-3754 con una temperatura de 10 exp5. K y la fuente 3C58 con un período de 65 ms. RX J1856.5-3754 es demasiado pequeña para ser una EN convencional y 3C58 parece haberse enfriado demasiado rápido en el tiempo de vida que se le estima.

Combinando los datos del Chandra y del telescopio espacial Hubble, los astrónomos determinaron que RX J1856. 5 – 3754 radia como si fuera un cuerpo sólido con una temperatura de unos 1x 10 exp5. ºC y que tiene un diámetro de alrededor de 11 km, que es un tamaño demasiado pequeño como para conciliarlo con los modelos conocidos de las Ens.

Las observaciones realizadas por el Chandra sobre 3C58 también produjeron resultados sorprendentes. No se pudo detectar la radiación que se esperaba en la superficie de 3C58, una EN que se cree producto de la explosión de una supernova vista por astrónomos japoneses y chinos en el año 1181 de nuestra era. Se llegó a la conclusión de que la temperatura de la estrella, de menos de un millón de grados Celsius, era un valor mucho menor que el que predice el modelo. Estas observaciones incrementan la posibilidad de que los objetos estelares mencionados sean Estrellas de quarks.

D) Ecuación de estado para la materia de quarks:

Las técnicas utilizadas para resolver las ecuaciones de la Cromo Dinámica Cuántica no proveyeron aún un resultado aceptable para densidades bariónicas finitas como en el caso de la Electrodinámica Cuántica para el núcleo atómico. Como consecuencia, es necesario recurrir a modelos fenomenológicos para describir la materia de quarks dentro de las estrellas compactas cuando se consideran las propiedades de confinamiento y de libertad asintótica de la CDC. Uno de los modelos más usados es el modelo bag del MIT. En este modelo los hadrones son considerados como quarks libres confinados en una región finita del espacio: el “Bag“ o bolsa. El confinamiento no es un resultado dinámico de la teoría fundamental, sino que se coloca como parámetro libre, imponiendo condiciones de contorno apropiadas. Así, el modelo bag del MIT se basa en una realización fenomenológica del confinamiento.

Está claro que, las estrellas de Quarks, aunque con certeza no han sido aún detectadas, es casi seguro que andarán pululando por el inmenso Universo que, en relación a la materia bariónica, en muy buena parte, está conformado por Quarks y, cuando la Gravedad confina a los electrones y protones hasta fusionarlos para convertirlos en neutrones a pesar del principio de esxclusión de Pauli, si la masa de la estrella es muy grande y como consecuencia la gravedad que genera también lo es, ni ese principio que haría degenerar a los electrones, podría al fín, para esa fuerza que contraerá más y más la masa de la estrella y, entonces, antes de que se pudiera convertir en un agujero negro… ¿No lo haría en una estrella de quarks?

De existir, al ser más densa, la estrella de Quarks estaria entre la de N y el A.N.

Recientemente, la relación entre campo magnéticos y materia densa está atrayendo la atención de los astrofísicos, especialmente después de las observaciones de emisiones peculiares de pulsares anómalos de rayos X, que se interpretan como ENs en rotación, y de emisiones de radiación γ de baja energía de los llamados repetidores de rayos γ suaves ( SGRs – soƒt gamma-ray repeaters ). El motor central de esas radiaciones podría ser un campo magnético mayor que 4 x 10¹³ Gauss, que es el campo crítico previsto por la Electrodinámica Cuántica.

Muchas observaciones astronómicas indirectas sólo se explicarían a través de la existencia de campos magnéticos muy intensos en los núcleos de ENs  en EQs, de manera que el papel que juega el campo magnético en la ME aún constituye un problema abierto y de sumo interés en la Astrofísica.

Son muchos los misterios quen contiene el Universo y, nosotros, debemos recorrer los caminos para desvelarlos. En la superconductividad electromagnética usual, un campo magnético suficientemente fuerte destruye el estado superconductor. Para la superconductividad de color no existe aún un consenso de cómo, la presencia del campo magnético, podría afectar al apareamiento entre los quarks.

Existen trabajos que describen de manera breve la materia extraña, con el objetivo de explicar su formación en el interior de una EN y entender la composición y características de una Estrella de Quarks. Han utilizado el modelo fenomenológico de bag del Massachussets Institute of Technology (MIT) para encontrar las ecuaciones de estado de la ME en condiciones determinadas, comprobando la estabilidad de la misma, frente a la materia de quarks ordinaria formada sólo por quarks u y d. Y piensan presentar, además, algunas candidatas posibles a EQs según observaciones astrofísicas. Por último, trataran de entender la superconductividad de color y la influencia del campo magnético intenso en las fases superconductoras.

            Ya se especula con la existencia cierta de estrellas de Quarks y, cuando el río suena…

Materia de Quarks:

Uno de los mayores logros alcanzados por los físicos en el último siglo, fue la construcción del Modelo Estándar en la física de partículas elementales. Este modelo sostiene que la materia en el Universo está compuesta por fermiones, divididos en quarks y leptones, que interactúan a través de los llamados bosones de calibre: el fotón (interacción electromagnética), los bosones W± y Zº (interacción débil), y 8 tipos de gluones (interacción fuerte). Junto con los bosones de calibre, existen tres generaciones de fermiones: ( v e, e ), u, d ); ( vµ, µ ), ( c, s ) ; ( v….); y sus respectivas antipartículas. Cada “ sabor “ de los quarks, up ( u ), down ( d ), charme ( c ), strange ( s , top ( t ) y bottom ( b), tiene tres colores ( el color y el sabor son números cuánticos ). La partícula que aún no ha sido descubierta experimentalmente es el bosón de Higgs, que cabe suponer sería responsable del origen de la masa de las partículas.

Los quarks son los componentes fundamentales tanto de los hadrones fermiónicos (bariones formados por la combinación de tres quarks) como de los bosónicos (mesones formados por un quark y un antiquark). Es sabido que el núcleo de un átomo está compuesto por nucleones (protones y neutrones) que a su vez están compuestos por quarks (protón = udd). David Gross y Franks Wilczek y David Politzer, descubrieron teóricamente que en la CDC el acoplamiento efectivo entre los quarks disminuye  a medida que la energía entre ellos aumenta (libertad asintótica). La elaboración de esta teoría permitió que recibieran el Premio Nobel de Física en el año 2004. En los años 60, la libertad asintótica fue comprobada experimentalmente en el Acelerador lineal de Stanford y otros después.

Todos querían estar presentes en el evento que nos llevó a comprobar la certeza de que la libertad asintótica era una realidad física presente en la fuerza nuclear fuerte y que hace que, los quarks, estén confinados dentro de protones y neutrones y, cuando tratan de separarse, aparece la fuerza intensa que lo impide. Por el contrario, cuando permanecen juntos, está presente la libertad asintótica que los hace creer que son libres.

Sin embargo, la CDC no describe completamente el deconfinamiento en un régimen de alta densidad y baja temperatura, debido a su complejidad matemática y a su naturaleza no lineal para bajas energías. No obstante, es posible recurrir a una descripción fenomenológica para intentar entender la física de la formación de la materia de quarks en las ENs. La materia de quarks, es decir, el plasma de quarks deconfinados y gluones, es una consecuencia directa de la libertad asintótica cuando la densidad bariónica o la temperatura son suficientemente altas como para considerar que los quarks son partículas más fundamentales que los neutrones o protones. Esta materia, entonces, dependiendo de la temperatura y del potencial químico (µ) de los quarks, aparecería esencialmente en dos regímenes. Uno de ellos, el PQG, constituiría la fase “caliente”  de la materia de quarks cuando T >> µ constituyendo la mencionada ME, que se formaría en el interior de las Ens. Esta transición de fase estaría ocurriendo en el Universo cada vez que una estrella masiva explotara en forma de supernova, con la consecuente aparición de una EN.

Mucho nos quewda que hablar de todos estos temas complejos con los que aún luchamos tratando de comprender y de los que, hablamos más por intuición y conjeturas que por la certeza del saber. Sin embargo, nuestros incipientes conocimientos en la materia, avalan, al menos, una gran posibilidad de que las estrellas de Quarks sean un hecho.

emilio silvera

El experimento LIGO de EE UU capta el “sonido” generado por la fusión de dos agujeros negros hace 1.400 millones de años

Hace 1.400 millones de años, dos agujeros negros varias veces mayores que el Sol se acercaron tanto uno a otro que acabaron devorándose. La unión provocó un violentísimo estallido de energía en forma de ondas gravitacionales, curvas en el tejido del universo que avanzaron en todas direcciones como olas en un estanque. Mientras, en la Tierra, apenas estaban apareciendo las primeras formas de vida con reproducción sexual. Tuvieron que pasar casi 1.000 millones de años más para que hubiese animales similares a los que conocemos hoy y casi otros 400 hasta el primer pariente común entre chimpancés y humanos. Los últimos momentos antes de que aquellas ondas llegasen a la Tierra abarcan toda la historia del ser humano, incluida la primera vez que Einstein razonó que dos agujeros negros deberían producir estas ondas y el esfuerzo consiguiente, muchas décadas después, para construir una de las mayores instalaciones científicas del mundo capaz de captarlas por primera vez.

Por fin, el 26 de diciembre de 2015, un día después de Navidad, el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), en EE UU, captó el eco producido por esos dos agujeros negros. Es la segunda vez que este experimento detecta ondas gravitacionales producidas por una fusión de dos agujeros negros y, aunque la segunda vez que pasa algo no es noticia, en esta ocasión sí lo es.

Esta nueva detección, que se anuncia hoy en una conferencia de prensa en San Diego (EEUU) y que se describe en un estudio publicado en Physical Review Letters, supone una confirmación de la Teoría de la Relatividad General en unos rangos de energía inalcanzables hasta ahora. Además confirma que la primera detección de LIGO no fue una casualidad y que este experimento se ha convertido ya en el primer observatorio capaz de “escuchar” el sonido de los fenómenos más violentos del universo, lo que nos da un nuevo sentido para percibir el cosmos.