¡¡DEBATE!! Sobre las estrellas y lo que suponen en el conjunto del...

La Hipótesis de estrella de Quarks (EQs) podrían responder a muchos interrogantes surgidos a partir de observaciones astrofísicas que no coinciden con los modelos canónicos teóricos de las Estrellas de Neutrones ( ENs ). Decimos que son hipotéticas porque se conjetura que estarían formadas por Materia Extraña ( ME ). La comunidad astrofísica espera evidencias observacionales que permitan diferenciarlas de las ENs, ya que podrían explicar un conjunto de observaciones astronómicas que aún resultan una incógnita. Es sabido que una EN es el remanente del colapso de una estrella masiva. El colapso de la estrella, la supernova, da lugar a un núcleo compacto hiperdenso de hierro y otros metales pesados que sigue comprimiéndose y calentándose. Su densidad continúa aumentando, dando lugar a una “ neutronización “ ( recombinación de electrones con protones que resultan en neutrones ) y el gas degenerado de neutrones frena el colapso del remanente.
 
Una EQ, a diferencia de una EN, no se originaría necesariamente de una evolución estelar después del agotamiento del combustible nuclear de una estrella normal. Sería, probablemente, producto de la transición de fase hadrón-quark a altísima densidad. La Cromodinámica Cuántica ( CDC ), la Teoría de las Interacciones Fuertes que ocurren dentro de los nucleones ( protones y neutrones ), concibe teóricamente la idea de la transición de fase hadrón-quark a temperaturas y/ o densidades extremadamente altas con el consecuente desconfinamiento de quarks y gluones, que fomarían una especie de “ sopa “. Sin embargo, los quarks libres no se han encontrado aún, en uno u otro límite, en ningún experimento terrestre.
 
La “ sopa “ que mencionamos antes, se conoce como Plasma Quark-Gluón ( PQG ). En el límite de altas temperaturas, el PQG está tratando de obtenerse en el laboratorio y existen fuertes indicios de que se logre con éxito experimentos de altas energías como el Colisionador Relativista de Iones Pesados ( conocido por sus siglas en inglás como RHIC ) de Brookhaven, New York.
 
Por otro lado, se espera que a través de observaciones astronómicas se compruebe que la transición a altas densidades se hubiese producido en el interior de alguna EN. Esto se debe a que los valores de densidades estimados para que dicha transición tuviese lugar coinciden con densidades del orden de ( 3 – 12 ) ρ0 ( siendo ρ0 ̃ 0, 17 fmˉ ³ la densidad de equilibrio nuclear ) que son típicas del interior de las ENs. Los cálculos basados en diferentes ecuaciones de estado de la materia nuclear muestran estos resultados, por lo que sería razonable que el núcleo de las ENs estuviese formado por materia de quarks.
 
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.
 
En particular, en un trabajo reciente, se ha analizado la ME considerando neutralidad de carga, equilibrio β y conservación del número bariónico. En dicho trabajo se obtuvo una cota superior para el valor del campo magnético que determina una transición de fase cuya explicación requiere ser estudiada en profundidad ya que sería independiente de la interacción fuerte entre los quarks. También se ha comprobado que la presencia de de campos magnéticos intensos favorece la estabilidad de la ME.
 
Por otro lado, estudios teóricos han demostrado que si la materia es suficientemente densa, la materia de quarks deconfinada podría estar en un estado superconductor de color. Este estado estaría formado por pares de quarks, análogos a los pares de Cooper ( constituidos por electrones ) existentes en los superconductores ordinarios.
 
Los quarks, a diferencia de los electrones, poseen grados de libertad asociados con el color, el sabor y el espín. Por este motivo, dependiendo del rango de densidades en el cual estamos trabajando, algunos patrones de apareamiento pueden verse favorecidos generando la aparición de distintas fases superconductoras de color. Según estudios teóricos, la fase superconductora más favorecida a densidades extremadamente altas sería la Color Flavor Locked ( CFL ), en la cual los quarks u, d y seç poseen igual momento de Fermi, y en el apareamiento participan los tres colores y las dos proyecciones de espín de cada uno de ellos. Estudios recientes sobre la fase CFL han incluido los efectos de campos magnéticos intensos, obteniendo que bajo determinadas condiciones el gap superconductor, que corresponde a la separación entre bandas de energía en el espectro fermiónico, crece con la intensidad del campo. A esta fase se la llama Magnetic Color Flavor Locked ( MCFL ).
 
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.
 
En este trabajo describiremos brevemente la materia extraña, con el objetivo de explicar su formación en el interior de una EN y entender la composición y características de una EQ. Posteriormente, utilizaremos el modelo fenomenológico de bag del Massachussets Institute of T echnology ( 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. Presentaremos, además, algunas candidatas posibles a EQs según observaciones astrofísicas. Por último, trataremos de entender la superconductividad de color y la influencia del campo magnético intenso en las fases superconductoras.
 
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 ), charm ( 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 expermentalmente en el acelerador lineal de Stanford ( SLAC ).
 
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. El Universo pasó seguramente por esa fase en los primeros segundos después del Big Bang, cuando la temperatura era extremadamente alta y la densidad bariónica muy baja.
 
El Plasma de Quarks Gluones se podría crear en el laboratorio de manera artificial haciendo colisionar iones pesados. La temperatura y la densidad del PQG depende de la energía del bombardeo de partículas. En la actualidad se están realizando experimentos en este sentido el el RHIC.
 
Bueno, no me extrañaría que llegara el día en que, de continuar los avances al ritmo actual, lleguemos a poder disponer de la energía ilimitada existente en los discos de acreción de los agujeros negros, que podamos poner los mecanismos necesarios para hacer surgir nuevas estrellas y, por supuesto, el tener la posibilidad de terraformar mundos que, como ahora Marte, están “casi” inertes para la vida humana.

En las densas nubes moleculares se forman muchas estrellas y, es cotidiano en el devenir de las Nebulosas que a partir de grandes masas de gas y polvo interestelar, surjan, al mismo tiempo, grupos pequeños o grandes de estrellas a los que denominamos cúmulos que, podrán ser abiertos o cerrados y también cúmulos globulares. Pongamos aquí un simple ejemplo.
 
El Cúmulo abierto de estrellas M16 (NGC 6611), fue descubierto por Philippe Loys Chéseaux en 1,745-6 y la Nebulosa M16 (IC4703), fue descubierta por Charles Messier en 1764.
 
La primera fotografía de la Nebulosa la hizo E.E. Barnard en 1895 y también Isaac Roberts en 1897. Están a la distancia de 7.000 a.l. de nosotros en la Constelación de la Serpiente en el límite del Escudo y Sagitario en el brazo espiral interno de nuestra Galaxia.
 
Brilla con luz de emisión excitada por la inmensa radiación ultravioleta de las estrellas jóvenes masivas que abundan en la región. El mismo cúmulo estelar abierto M16 se formó a partir de esta nube gaseosa y polvorienta, la nebulosa difusa del Águila IC 4703 que, ahora brilla gracias al proceso de creación de las nuevas estrellas.
 
En noviembre de 1.995 se publicó una fotografía de esta región que, tomada por el Hubble, posibilitó a los astrónomos una mayor comprensión del proceso de formación estelar..
 
El cúmulo abierto combinado con la nebulosa difusa de emisión, es decir, que emite luz debido al nacimiento de nuevas estrellas, forma un bonito cuadro que se nos muestran en las nebulosas del cielo, nos habla del Universo creador y transformador de la materia por medio de las energías y  de mecanismos que sólo en el Universo pueden ser posible.
 
Cuando hablamos de cúmulo abierto, nos estamos refiriendo a un grupo de estrellas formadas juntas en los brazos espirales de una galaxia; denominado en ocasiones cúmulo galáctico. Los cúmulos abiertos tienen normalmente formas irregulares y contienen desde unas pocas decenas de estrellas hasta varios cientos de estrellas relativamente jóvenes en un volumen de hasta 50 a.l. Las Hyades y las Pléyades son los ejemplos más famosos.
 
Los cúmulos abiertos se dividen en varios tipos de acuerdo a la clasificación de Tumpler. Están más sueltos que los cúmulos globulares, aunque pueden tener todavía una densidad de estrellas en su centro de unas 10.000 veces mayor que la existente en la vecindad del Sol. Se conocen más de mil, todos en el disco galáctico.
 
Sus edades varían entre unos pocos millones hasta varios miles de millones de años, y los más jóvenes están todavía rodeados por trazas de la nebulosa a partir de la cual se formaron. Los menos densos de ellos son disgregados gradualmente por la interacción gravitacional con el resto de la Galaxia.