Jose A. Pons, profesor de la Universidad de Alicante

 

 

 

 

Un estudio liderado por el grupo de Astrofísica Relativista de la Universidad de Alicante ha detectado la que podría ser la primera evidencia observacional de la existencia de una nueva fase exótica de la materia en la corteza interna de las estrellas de neutrones (púlsares).

Los púlsares son estrellas de neutrones (estrellas ultracompactas y fuertemente magnetizadas) en rotación, residuos de una explosión Supernova. Estas estrellas nacen rotando muy velozmente (hasta 100 veces por segundo), pero van perdiendo momento angular debido a la emisión de radiación electromagnética, de la misma forma que un gigantesco imán que gira perdería energía. Algunas de estas estrellas de neutrones emiten ondas de radio en la dirección de sus polos magnéticos que, cuando incidentalmente apuntan a la Tierra, pueden ser detectadas. El primer descubrimiento de estas señales muy periódicas se produjo en 1967 por Jocelyn Bell y Anthony Hewish, y significó que le concedieran el premio Nobel en 1974 a Anthony Hewish.

 

 

 

Con el paso de las décadas, y el nacimiento de la astronomía de rayos X, (o en general de altas energías) se empezaron a detectar púlsares no sólo en radio, sino también en rayos X o en rayos gamma. Una de las incógnitas en el campo de los púlsares de rayos X es la existencia de un límite superior de 12 segundos en los periodos de rotación. Históricamente, se conocía que los radio-púlsares (aquellos que detectamos en ondas de radio) tenían un límite superior observado a su periodo de rotación que se atribuía a un simple efecto observacional: los que giran más lentamente emiten ondas de radio con menor intensidad y más focalizadas, con lo que es más difícil observarlos. Sin embargo, las misiones espaciales de la última década han detectado un creciente número de púlsares aislados de rayos X, y hemos visto con sorpresa que tampoco ninguno de ellos presenta un periodo de rotación superior a 12 segundos, pero no existía ninguna explicación teórica para este fenómeno.

Dado que, para estrellas aisladas, el ritmo de perdida de energía de rotación depende del campo magnético de la estrella de neutrones, se esperaba que las estrellas de campo magnético alto se frenarán muy rápidamente, pudiendo alcanzar periodos de rotación de varias decenas o incluso centenares de segundos, mientras aún están suficientemente calientes para ser visibles en rayos X. Sin embargo, se vio con sorpresa que hay un acumulamiento de fuentes con periodos entre 10 y 12 segundos, pero sin que nunca se haya encontrado un pulsar de rayos X, que no forme parte de un sistema binario, con periodos de rotación superiores.

En un estudio reciente, publicado en el último número de Nature Physics, aparecen los resultados de la investigación, basada en simulaciones por ordenador de la evolución del campo magnético de los púlsares, que aborda este misterio. La idea fundamental es que el campo magnético no permanece constante, sino que se disipa muy rápidamente debido a la alta resistividad eléctrica de una capa de la corteza interna, donde las corrientes eléctricas que soportan el campo magnético ultraintenso de las estrellas de neutrones tienden a a desplazarse. Lo localización de dicha capa resistiva coincide con las predicción de un nuevo estado de la materia nuclear, llamado “pasta nuclear”.

¿Lasaña o espagueti?

La pasta nuclear, llamada así por similitud con la pasta italiana, sucede cuando la combinación de la fuerza nuclear y electromágnetica, a densidades cercanas a la de los núcleos atómicos, favorece el ordenamiento de los nucleones (protones y neutrones) en formas geométricas no esféricas, como láminas o filamentos (lasaña o espagueti).

Esta puede ser la primera evidencia observacional de la existencia de la fase de “pasta nuclear” en el interior de estrellas de neutrones, lo cual puede permitir que futuras misiones de observatorios de rayos X puedan usarse para aclarar aspectos de cómo funciona la interacción nuclear que aún no están del todo claros. Es una oportunidad única, ya que probablmente no hay otro lugar en el Universo, aparte de las estrellas de neutrones, donde podamos encontrar las condiciones necesarias para que se forme la “pasta nuclear”.

Los púlsares nacen girando muy rapidamente, sin embargo sus intensos campos magnéticos los frenan a lo largo de su vida, con lo cual su periodo de rotación aumenta. Entre tanto, en la capa de “pasta” las corrientes se disipan y el campo magnético de la estrellas se vuelve débil, hasta que ya no es capaz de frenar significativamente la rotación de la estrella: el púlsar está “al dente”, con un periodo de alrededor de 10-12 segundos.

Referencia: A highly resistive layer within the crust of X-ray pulsars limits their spin periods, J. A. Pons, D. Viganò, N. Rea, Nature (2013), doi:10.1038/nphys2640.

Después de leer el artículo del profesor Pons, se me ocurre que la materia, en realidad, es una gran desconocida y guarda secretos que debemos desvelar para poder obtener de ella todo lo que nos ofrece que es mucho y que no hemos sabido aprovechar por el momento en toda su extensión y sus muchas posibilidades que nos llevarán hacia otra forma de ver el universo.

En otra ocasión os hablé aquí de la posibilidad (nunca podemos negar nada que nuestra imaginación pueda idear), de que existieran estrellas hechas de materia extraña, es decir de una especie de pasta densa compuesta de Quarks-Gluones y que estaría en la escala intermedia entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros.

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.

Se especula con la posibilidad de que existan estrellas de Quarks que estarían hechas de materia extraña de Quaks y Gluones.

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 formarían 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 ingles 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 exp. – 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 s 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 gas 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).

 Son muchos los misterios que contiene el Universo y, nosotros, debemos recorrer los caminos que sean necesarios para desvelarlos. Cuando las cosas son conocidas, se evitan las sorpresas y, además, se les puede sacar más rendimiento, Así, si conocemos las posibilidades que nos ofrece la Naturaleza…

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 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. 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 ), 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.

     Muchos son los científicos que buscan respuestas

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 ( 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 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.

Las estrellas de Quarks, aunque de momento son una conjetura su existencia, hasta donde podemos saber, no sería nada extraña que, en cualquier momento, se pudieran descubrir algunas y, pasarían a engrosar la lista de los objetos más masivos del Universo. Ellas estarían entre las estrellas de Neutrones y los Agujeros Negros.

En 1971 A.R. Bodmer propuso que la ME es más estable que el Fe, que es el más estable de todos los núcleos ordinarios. Por lo tanto, según su hipótesis, la ME constituía el estado más fundamental de la materia. En la Naturaleza, la presencia de núcleos atómicos ordinarios. Por lo tanto, según su hipótesis, la ME constituía el estado más fundamental de la materia. En la Naturaleza, la presencia de núcleos atómicos ordinarios no se halla en contradicción con la mayor estabilidad que presenta la ME. Esto se debe a que la conversión de un núcleo atómico en ME, requiere que se transformen quarks u y d en quarks extraños s. La probabilidad de que esto ocurra involucra una transición débil que hace que los núcleos con peso atómico A ≥ 6 sean estables por más de 10 exp60. Años. De manera que si la hipótesis de la ME fuera correcta, estaríamos en presencia del estado más estable de la materia hadrónica y para su formación se necesitaría un ambiente rico en quarks s o la formación de un PQG, Como ya mencionamos, podríamos alcanzar dicho estado en las colisiones de iones pesados relativistas, segundos después del Big Bang en el Universo primordial y en el interior de las Ens.

A) Formación de Materia Extraña en una Estrella de Neutrones:

Inmediatamente después de la transición de fase hadrónquark en el interior de la estrella, no existe una configuración de equilibrio químico entre los quarks. Esto puede entenderse de la siguiente forma: en el punto de transición, la materia bariónica predominante son los quarks u y d con una pequeña cantidad de electrones. Así, la densidad del quark d es aproximadamente dos veces la densidad del quark u, Nd ~ 2Nu, debido al hecho de que la materia en las estrellas compactas es eléctricamente neutra. Por el principio de exclusión de Pauli, sería energéticamente más favorable para los quarks d decaer en quarks s hasta restablecer el equilibrio entre sabores vía interacciones débiles. Dado que la densidad bariónica de la materia de quarks en el interior de la estrella sería ~ 5ρ0, los potenciales químicos de los quarks deberían ser grandes respecto de las masas. Esto implicaría que las densidades de los quarks fueran prácticamente iguales. De esta forma, la configuración más estable en el interior de la EN, sería un núcleo de ME con una densidad bariónica Nb = Ni ( i= u , d, s ). Si el interior de una EN estuviese compuesto por ME, cabe entonces preguntarnos: ¿podría transformarse una EN en una EQ?

B) EQs: Formación y características:

Para los astrónomos ha quedado bien establecido que el remanente estelar después de la explosión de una supernova podría resultar ser una  Enana Blanca, una En o un Agujero Negro, dependiendo de la masa de la estrella de origen. Observaciones astronómicas recientes sugieren un remanente aún más exótico: las EQs. La idea de la existencia de estas estrellas apareció en 1969, cinco años después de la predicción de Gell- Mann de la existencia de los quarks. En el año 1984, Farhi y Jaffe, basándose en el modelo de bag del MIT, mostraron en sus cálculos que la energía por barión de la ME era menor que la del núcleo atómico más estable, el Fe. Esto daba mayor solidez a la hipótesis de Bodmer- Witten e inmediatamente se comenzaron a desarrollar modelos teóricos de Eqs. En el año 2002, el Observatorio de Rayos X Chandra, de la NASA, reportó el descubrimiento de dos estrellas candidatas a ser Eqs.

Para que una EN se transforme en una EQ pura, necesitamos algún mecanismo mediante el cual su densidad aumente cada vez más. Pensemos, por ejemplo, que la EN 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.

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.

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.

C) Observaciones astrofísicas: posibles Eqs

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 ME contribuyera a su explosión. El remanente estelar que ha quedado como consecuencia de la explosión de la Supernova 1987ª, podría ser una EQ, ya que el período de emisión de este pulsar es de P= 0.5 ms. Una EN canónica no podría tener una frecuencia de rotación tan alta.

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 Eqs.

D) Ecuación de estado para la materia de quarks:

Las técnicas utilizadas para resolver las ecuaciones de la CDC 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.

La fuente de esta segunda parte del trabajo aquí expuesto, la encontré en una Revista publicada por la RSEF.

Los científicos del detector de partículas AMS, enganchado en la Estación Espacial Internacional (ISS), han presentado los primeros resultados de su búsqueda de materia oscura con los datos tomados en el espacio durante más de un año y medio, en los que se ha identificado unos 400.000 positrones (la partícula de antimateria equivalente al electrón pero con carga eléctrica positiva). Sus conclusiones están aún en el aire: “En los próximos meses, el AMS será capaz de afirmar de modo concluyente si estos positrones son una señal de materia oscura o si tienen otro origen”, ha declarado Samuel Ting, premio Nobel de Física y líder del experimento. Con la presentación oficial de los datos este miércoles, en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), junto a Ginebra, se aclaran algo los rumores que han circulado en las últimas semanas acerca de si el detector espacial había dado con una elusiva materia oscura o no. La respuesta es que habrá que seguir esperando. El AMS se montó en el CERN, pero no es un experimento del ese laboratorio europeo como tal.

El AMS, un experimento liderado por Estados Unidos y en el que participan científicos e ingenieros de 16 países, incluida España (sobre todo, el Ciemat), registra el flujo de rayos cósmicos en órbita, antes de que estas partículas cargadas eléctricamente que permean el espacio, puedan interactuar con la atmósfera terrestre. Entre esas partículas hay positrones, partículas de antimateria. Se sabe desde hace dos décadas, recuerdan los científicos, se ha registrado con otros experimentos, incluido el Pamela, también en el espacio. Pero AMS ha obtenido “la mayor colección de partículas de antimateria registradas en el espacio”, dicen sus responsables en un comunicado de prensa. Los resultados “son consistentes con el origen de los positrones a partir de la aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio, pero no es suficiente para descartar otras explicaciones”. Cabe, pues, entre otras, la explicación alternativa de que esas partículas de antimateria se han originado en púlsares de la galaxia, lo que apuntaría a una explicación de astrofísica convencional.

 “La materia oscura es uno de los misterios más importantes de la física actualmente”, recuerdan los científicos de AMS. Se conoce su presencia por su efecto gravitatorio en el universo, pero no emite ni absorbe radiación electromagnética y, aunque supone el 27% de la composición del cosmos, no se sabe lo que es. “Una posibilidad, predicha por una teoría conocida como supersimetría es que los positrones pueden producirse cuando dos partículas de materia oscura colisionan y se aniquilan”. De ahí la conexión de los positrones detectados por AMS y la materia oscura. El alto nivel de precisión de este detector, “nos permitirá decir si nuestra observación de positrones tiene origen en la materia oscura o en los pulsares”, recalca Ting. Los datos presentados hoy se van a publicar oficialmente en la revista Physical Review Letters).

 El AMS es un experimento del Departamento de Energía estadounidense y la NASA, propuesto por Ting que ha tardado casi dos décadas en convertirse en realidad operativa. Se diseñó para viajar a la Estación Espacial Internacional a bordo de un transbordador de la NASA y la paralización de los vuelos de aquellas naves tras el accidente del Columbia (febrero de 2003) impidió su puesta en órbita en las fechas previstas. Luego, cuando se reanudaron los vuelos, se detectó un fallo de funcionamiento del gran imán diseñado para el AMS y hubo que retrasar de nuevo su lanzamiento hasta que esa pieza clave del detector fue sustituida por el imán convencional que se había utilizado en un prototipo que se ensayó años antes en el espacio. Finalmente, el AMS, un aparato de 7,5 toneladas, voló a la estación en el último transbordador, en mayo de 2011. Fue instalado allí, en el exterior de la base orbital por los astronautas y, desde entonces, funciona perfectamente, según sus responsables, que confían en que el equipo funcione en el espacio 20 años.

Fuente: El País

Desde siempre hemos oído aquellas historias que la ciencia ha podido ir elaborando de cómo se formó la Tierra y en ella, evolucionó la vida a partir de una primera célula replicante que supo encontrar la manera de auto reproducirse. A partir de un  Sol muy joven y activo que lanzaba ingentes llamaradas al espacio exterior cargadas de plasma que se condensó y se enfrió creando una corteza exterior. De manera gradual, aquella masa se fue endureciendo con el paso del tiempo, los materiales más pesados caían hacia el núcleo central de lo que más tarde, sería nuestro planeta. Por los alrededores y procedentes de otras llamaradas expulsadas del Sol, se formaron otros planetas.

Nos podemos imaginar cuántas veces habrá sucedido lo mismo a lo largo y a lo ancho de nuestra inmensa Galaxia en una extensión de más de cien mil años luz. Sabemos que el tamaño de una estrella clásica como el Sol, viene a ser de un millón y medio de kilómetros y conocemos que existen estrellas mucho más pequeñas y también, inmensamente más grandes. Las distancias que normalmente existe entre las estrellas suele ser de unos mil quinientos billones de kilómetros de promedio. Las estrellas suelen ser mucho más pequeñas que las distancias que las separan.

Al mirar las imágenes que del espacio lejano captan nuestros telescopios, podemos tener una primera impresión engañosa al ver tal conflometado de puntitos brillantes que en realidad son estrellas lejanas que parecen estar amontonadas y, sin embargo, es una engañosa impresión debida a las inmensas distancias que nos separan. Si nos pudiéramos acercar, veríamos las enormes distancias que las separan y, entre ellas, sólo existe un espacio “vacío” de muy grandes dimensiones que se miden en años-luz. En nuestro caso, la estrella más cercana, Alfa Centauri, está situada a unos 4,3 años-luz de nosotros. Y, siendo así (que lo es), no es de extrañar que las colisiones entre estrellas sean tan infrecuentes.

Así resulta ser el panorama de nuestro entorno: Una estrella mediana y muy corriente que en su nacimiento pudo formar una serie de planetas a su alrededor y que está situada en un entorno bastante tranquilo en el interior del Brazo de Orión a unos 30.000 años-luz del centro galáctico.

Todos estos mecanismos que surgen a partir de la formación de las estrellas y los mundos nos llevan siempre hasta la prodigiosa aparición de la vida que, podría ser muy común en muchos mundos de nuestra galaxias en una gran diversidad de mundos que, sin ser como la Tierra, podrían contener formas de vida bacteriana o incluso en algiuna forma desconocida para nosotros. En lo que nse refiere a la vida inteligente -creo-, la cosa podría ser un poco más especial y requerir condiciones más exigentes iguales o parecidas a las que se dan en nuestro planeta.

Lo cierto y así lo creo firmemente, es que según todos los indicios y los datos que conocemos, el Universo debe estar rebosante de vida. El número de estrellas en nuestra Galaxia supera el inmenso número de cien mil millones y, si en la mayoría de ellas existen planetas, éstos deben ser tantos que, cuesta pensar en la cantidad de mundos que, aún considerando un tanto por ciento pequeño, podrían estar habitados.

Es cierto que sentimos una especie de frustración al no poder confirmar tales predicciones de vida en otros mundos y, sin embargo, hasta no hace mucho tiempo era impensable que se pudiera confirmar la existencia de otros mundos orbitando estrellas lejanas que, como la Tierra, pudieran reunir las condiciones necesarias para mantener la vida. Tal imposibilidad ha dejado de existir y hoy, son más de 500 los planetas descubiertos y de cuyas imágenes nos hemos podido maravillar. De hecho, en alguno de ellos, incluso se ha pensado en la posibilidad de que pudiera contener alguna clase de vida dada su situación en relación a la estrella que lo alumbra y su similitud con la Tierra.

“Científicos de diferentes partes del mundo se han unido en un estudio de la NASA por que el han determinado que la luna de Saturno, Titán y el exoplaneta Gliese 581g son los planetas y satélites con más probabilidades de albergar vida extraterrestre.

El equipo que ha formado parte de este trabajo, que ha sido publicado en la revista especializada ‘Astrobiology’, ha creado dos sistemas de clasificación para evaluar qué cuerpos espaciales tienen mayor probabilidad de ser habitables: un índice de similitud de la Tierra -conocido como factor ESI-; y un índice de habitabilidad planetaria – factor PHI- que se fija en un grupo diferente de factores, como si el mundo tiene una superficie rocosa o congelada, o si tiene una atmósfera o un campo magnético.

Por otra parte, también se valora la energía disponible para cualquier organismo, ya sea a través de la luz de una estrella madre o de un proceso llamado flexión de la marea, en el que las interacciones gravitacionales con otro objeto pueden calentar un planeta o satélite internamente; además de la química y si hay disponibilidad de solventes líquidos para reacciones químicas vitales.”

 

 

 

 

 

Épsilon Eridani es una estrella que está situada a unos 10,5 años-luz de la Tierra, siendo una de las más próximas al Sistema solar y la tercera más próxima visible a simple vista. Es una estrella de la secuencia principal, de tipo espectral K2, muy parecida al Sol, con una masa de 0,83 masas solares, un radio de 0,895 radios solares y una luminosidad estelar de 0,28 veces la solar.

Su espectro óptico es muy variable, con muchas líneas espectrales de emisión. Tiene un campo magnético muy fuerte que gira aproximadamente cada 11 días. Su período de rotación es de 12 días. La razón para todo ello es su juventud: tiene sólo 600 millones de años cuando nuestro Sol tiene 4600 millones. ¿Que podría dar de sí más adelante el sistema planetario que forma esta familia cercana. No lo sabemos pero… cualquier cosa podría ser posible.

El Telescopio Espacial Hubble nos muestra los Sistemas planetarios descubiertos en la Gran Nebulosa de Orión que se puede ver a ojo desnudo por encontrarse en la vecindad de la Tierra. En ella, como si de un Laboratorio natural se tratara, los astrónomos observan con interés cómo se forman las nuevas estrellas y surgen los mundos y, de la misma manera, también captán con los potentes telescopios, el surgir de los nuevos sistemas planetarios que, en principio, sólo son numerosos discos protoplanetarios.

Siendo todo eso así (que lo es), sabiendo como y por qué nacen las estrellas y sus cohortes de planetas y, también, parece que podemos suponer bastante bien y de manera muy cercana a la realidad, cómo puede surgor la vida en los mundos. Si todo eso es así como parece, sería lógico pensar que, en otros mundos distintos a la Tierra podrían estar presentes formas de vida bacterianas o de otro tipo rudimentario y, en aquellos planetas más parecidos en sus condiciones a la Tierra, podrían haber surgido formas de vida más elevada que, con el tiempo, habrán alcanzado la Conciencia de Ser y puedan ser, como nosotros, Observadores del Universo.

Que están ahí -al menos para mí- es cosa segura. Otra cuestión será el que podamos comprobarlo de alguna manera, dado que, nuestro estado tecnologíco no es aún el adecuado para poder verificar de manera fehaciente tal presencia y, nuestras naves espaciales, son en realidad, en este momento, como aquellas carretas del Oeste americano antes de inventar el ferrocarril y, desplazarce por aquellos grandes territorios rquerían meses y soltear muchos peligros. De la misma manera pero elevado a un enorme exponente, nos sucede a nosotros con la posiblidad de viajar a otros mundos que, de momento, quedan muy lejos de nuestro alcance.

emilio silvera

La Astrofísica nuclear es una rama relativamente joven de la física entre cuyos objetivos destaca la descripción de las reacciones mediante las cuales tiene lugar la generación de energías y la síntesis de elementos químicos en el Universo. Se trata, por tanto, de un campo multidisciplinar que combina las observaciones astronómicas, con el análisis de la composición de meteoritos, la modelización astrofísica y la física nuclear tanto experimental como teórica.

En 1957, E.M. Burbidge, W.A. Fowler and F. Hoyle y de manera independiente A.G.W. Cameron publicaron sendos artículos clave, donde definen los principales procesos que explican la transformación de unos núcleos en otros, asentados en base de la Astrofísica nuclear.

A lo largo de la segunda mitad del siglo XX, la Astrofísica nuclear ha conseguido importantes logros que sin duda están íntimamente conectados al impresionante avance experimentado por las técnicas instrumentales y de medidas asociadas y por la capacidad de cálculo numérico.

Los diferentes procesos de nucleosíntesis que tienen lugar durante la vida de una estrella dan lugar a la creación de nuevos elementos químicos que son expulsados al medio interestelar. Estos elementos pasan a formar parte de una nueva generación de estrellas, y pueden ser detectados mediante estudios espectroscópicos. La mejora de las técnicas utilizadas en la instrumentación observacional y de los métodos de detección espectroscópicos, la construcción de grandes telescopios como el VLT y el Keck a los que pronto se añadirá el Gran TeCan, y la posibilidad de hacer observaciones desde el espacio sin la interferencia de la atmósfera terrestre (Telescopio Hubble, Chandra, XMM Newton e Integral), ha permitido obtener toda una nueva visión del universo que nos rodea.

La Física nuclear experimental tampoco ha sido ajena a todos estos avances tecnológicos, desarrollando haces de núcleos estables e inestables y la instrumentación necesaria para realizar experimentos de precisión. Las reacciones nucleares que intervienen en los procesos astrofísicos son reacciones de fusión; reacciones de captura de protones, de neutrones y de partículas alfa y sus inversas; y procesos mediados por la interacción débil tales como las desintegraciones beta, capturas de electrones y de neutrinos. En algunos casos se miden reacciones inducidas por núcleos estables y energías próximas a las que se dan en las estrellas, con secciones eficaces muy pequeñas, que necesitan el uso de instalaciones subterráneas (LUNA) capaces de blindar los equipos de detección a la radiación de origen cósmico.

En otros casos, se estudian reacciones inducidas por núcleos inestables (también llamados núcleos exóticos), con una vida media muy corta, y difíciles de sintetizar en el laboratorio con la tecnología actual. No obstante, en las últimas décadas, numerosas instalaciones de haces de núcleos exóticos (Louvain la Neuve, GANIL, GSI, ISOLDE) han desarrollado programas experimentales en los que se han determinado las propiedades fundamentales (masas y vidas medias) y propiedades de la estructura de núcleos claves en reacciones de interés Astrofísico. Igualmente se han medido un número importante de secciones eficaces asociadas a los diferentes procesos de nucleosíntesis. Por otro lado, la construcción de instalaciones de tiempo de vuelo de neutrones (n_ToF arroba CERN) ha permitido el desarrollo de programas dedicados al estudio de la captura neutrónica. Así mismo, las nuevas instalaciones que se construirán en los próximos años (FAIR, SPIRAL 2) incluyen en sus programas científicos el estudio de reacciones nucleares de interés astrofísico.

En la mayor parte de los Modelos Astrofísicos la Física Nuclear Teórica es necesaria para convertir un texto experimental en el ritmo de reacción que es necesario en la aplicación astrofísica concreta. Ahora mismo nos encontramos al comienzo de una nueva era de desarrollo de modelos teóricos basados en primeros principios (ab-anitio). Esto permitirá reducir las incertidumbres asociadas con extrapolaciones a regiones de la carta de núcleos que no han sido exploradas experimentalmente, pero que son relevantes para diferentes procesos astrofísicos como es el caso de núcleos muy ricos en neutrones para el proceso r.

De forma complementaria, se han producido grandes avances en la modelización astrofísica de las diferentes etapas de evolución estelar. Los desafíos actuales se centran en la realización de simulaciones en tres dimensiones espaciales de los diferentes fenómenos astrofísicos y en particular de las espectaculares explosiones de supernovas tanto termonucleares como debidas al colapso gravitatorio.

Cuando una estrella supermasiva muere, las consecuencias energéticas son inmensas. Ahí, en esa explosión se producen transiciones de fase que producen materiales pesados y complejos. En una supernova, en orden decreciente tenemos la secuencia de núcleos H, He, O, C, N, Fe, que coincide bastante bien con una ordenación en la tabla periódica que es:

H, He, (Li, Be, B) C, N, O… Fe

¿Apreciáis la maravilla? Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del universo y… de la vida inteligente. Esos materiales para la vida sólo se pudieron fabricar el las estrellas, en sus hornos nucleares y en las explosiones supernovas al final de sus vidas.

La explosión de una estrella gigante y supermasiva hace que esta brille más que la propia galaxia que la acoge y, en su ese tránsito de estrella a púlsar o agujero negro, se forman elementos que, como el oro o el platino, se riegan por el espacio interestelar en las inmensas nebulosas de las que, más tarde, naceran nuevas estrellas y nuevos mundos.

Pero está claro que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares hasta los planetas, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo describimos la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas.

Es posible que lo que nosotros llamamos materia inerte, no lo sea tanto, y, puede que incluso tenga memoria que transmite por medios que no sabemos reconocer. Esta clase de materia, se alía con el tiempo y, en cada momento adopta una forma predeterminada y de esa manera sigue evolucionando hasta llegar a su máximo ciclo o nivel en el que, de “materia inerte” llega a la categoría de “materia viva”, y, por el camino, ocupará siempre el lugar que le corresponda. No olvidemos de aquel sabio que nos dijo: “todas las cosas son”. El hombre, con aquellas sencillas palabras, elevó a todas las cosas a la categoría de SER.

¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte?

Claro que, el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según expliqué muchas veces, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran como una subclase de los hadrones. La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es C_nH_2n+2, lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

                                  ¡Maravillas de la materia!

El número de protones y neutrones determina al elemento, desde el hidrógeno (el más simple), al uranio (el más complejo), siempre referido a elementos naturales que son 92; el resto son artificiales, los conocidos transuránicos en cuyo grupo están el einstenio o el plutonio, artificiales todos ellos.

Los núcleos, como sistemas dinámicos de nucleones, pertenecen obviamente a la microfísica y, por consiguiente, para su descripción es necesario acudir a la mecánica cuántica. La materia, en general, aunque presumimos de conocerla, en realidad, nos queda mucho por aprender de ella y, la Astrofísica, nos abrirá el camino para comprender, lo que la materia es (ayudada por ingenios como el LHC).

emilio silvera