Boletín UNAM-DGCS-577
Ciudad Universitaria
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final del boletín
DESARROLLA
CIENTÍFICO UNIVERSITARIO MÉTODO PARA DETECTAR ESTRELLAS DE QUARKS
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El doctor Dany Page, del Instituto de Astronomía, quien trabaja en
colaboración con Vladimir Usov, del Instituto Weizmann de Israel, asegura que
se trata de objetos compactos millones de veces más luminosos que cualquier otro
·
Al comprobar su existencia mediante la detección de radiaciones de alta
energía (rayos gamma y X), se conocería un nuevo estado de la materia que se sumaría
al sólido, líquido, gaseoso y plasma
Dany Page, investigador del Instituto de
Astronomía de la UNAM, desarrolló un modelo teórico completo sobre el comportamiento de las estrellas de quarks
–que incluyen el transporte de calor, la evolución de la temperatura y la
luminosidad en su superficie en función del tiempo–, que es en sí mismo, un
método infalible para detectarlas.
El trabajo, realizado en colaboración con el
científico Vladimir Usov, del Departamento de Física de la Materia Condensada
del Instituto Weizmann de Ciencias, de Israel, establece que son objetos compactos millones de veces más luminosos que cualquier
otro, y que podrían permanecer así hasta durante cientos o miles de
años. Tal emisión de rayos gamma constituye una señal única de ese tipo de
estrellas.
El doctor Page señaló que los quarks son, hasta
ahora, las partículas o constituyentes de la materia más fundamentales que conocemos. Son de seis tipos: el up y el down
("superior" e "inferior", que en tríos forman a los
neutrones y protones), el strange ("extraño"), el charm
("encanto"), el bottom ("fondo") y el top
("cima", descubierto hace poco).
Se diferencian unos de otros por la masa:
los dos primeros son los más ligeros, por ejemplo; también varía su carga
eléctrica, tres son positivos y tres negativos. Nunca están solos debido a una
fuerza llamada de "color" (uno de los cuatro tipos de interacciones
en la naturaleza, junto con las fuerzas débil, electromagnética y de gravedad),
que los mantiene unidos en tríos dentro de neutrones y protones, indicó el
especialista.
Pero, ¿qué son las estrellas de quarks?, ¿en
qué momento se separan tales partículas fundamentales? Dany Page precisó que
para producir esos objetos celestes la densidad de la materia, que en el inicio
está formada por protones y neutrones, que son como burbujas en el vacío que, a
su vez, contienen tres quarks cada una, debe aumentar hasta el punto en que
dichas burbujas no sólo se toquen, sino que se superpongan.
Una estrella de ese tipo es
"alternativa" a otra formada de neutrones, cuya corteza es sólida y
su interior superfluido. Éstas nacen, a su vez, de otras, 10 o 20 veces más
masivas que nuestro Sol y que durante su existencia producen reacciones
nucleares internas que propician la creación de elementos cada vez más pesados.
Por ejemplo, a partir del hidrógeno se crea el helio –proceso que está actualmente ocurriendo en el interior de nuestro “astro rey”, por ejemplo–, y con base en éste, el carbono y así en sucesión hasta obtener oxígeno, neón, magnesio, silicio y hierro. Entonces, el núcleo de la estrella formado por éste último elemento, crece hasta que su masa alcanza 1.4 veces la del Sol.
En este punto, el núcleo de hierro de la estrella mide entre dos mil y tres mil kilómetros de diámetro (más pequeño que la Tierra), pero alcanza una densidad de mil toneladas por centímetro cúbico y la enorme fuerza de gravedad resultante vence a la presión de la materia produciendo un colapso del mismo.
En una fracción de segundo, el núcleo se reduce a una bola de unos pocos kilómetros; la densidad aumenta hasta que los neutrones y protones que forman esta materia se tocan directamente, añadió el científico universitario.
Esto marca el fin del colapso y, en
menos de un minuto, la mayoría de los protones se transforma en neutrones. “Así
nace una estrella de neutrones”, precisó.
El resto de la estrella progenitora
es expulsado mediante una explosión –cuyo mecanismo todavía no se entiende
bien–, conocida como supernova.
La densidad de una estrella de neutrones es tal
que todos los edificios de la ciudad de México cabrían en el fondo de una
cuchara. Si ella aumenta aún mas, los protones y
neutrones se disuelven, y los quarks se liberan para formar un nuevo
estado de la materia.
Ambos tipos de estrellas –las de
neutrones y quarks– son parecidas y es difícil diferenciarlas, porque se forman de la misma
manera, aseguró Dany Page. Entre los pocos parámetros que las hacen diversas
está el tamaño: la de quarks –de 6 a 8 kilómetros de radio– es más pequeña que
la de neutrones –alrededor de 12 kilómetros– porque es más densa. Aunque este
modo de distinguirlas parece no ser totalmente confiable.
Respecto a las más pequeñas, existen dos
opciones: que los quarks se queden en el núcleo estelar, formando la parte más
densa, o que la materia formada por estas partículas se "coma" al
resto de la estrella.
En el modelo propuesto por el universitario y
Vladimir Usov, se consideró que esas partículas no quedan confinadas en el
núcleo, sino que alcanzan la superficie. Al estar desprovistas de una capa
exterior de materia normal que pudiera confundirlas con una estrella de
neutrones, como un disfraz, las de quarks también son llamadas
"desnudas".
Cuando nace una de estas es tan caliente como
1011grados Kelvin, temperatura que evaporaría toda la materia normal de la superficie, con excepción de los electrones, y
por esto se considera que debe ser “desnuda”.
El campo eléctrico resultante –continuó-
crearía una plasma de electrones y positrones alrededor de la estrella, que
produciría rayos gamma con energías de 30 a 500 kilo electrón voltios (un keV es igual a mil electrovoltios) y una
luminosidad millones de veces superior a la del Sol.
"Ningún otro objeto conocido produciría
radiación tan intensa; si se ve una de ellas, no hay manera de equivocarse",
reiteró el científico.
Sólo podría ser superada por los gamma ray
bursts o estallidos de rayos gamma, los eventos más violentos conocidos en el
universo, pero éstos sólo duran unos segundos, en tanto que la radiación de
alta energía emitida por las estrellas de quarks puede perdurar quizá, hasta
miles de años, debido a que el único mecanismo que tiene para enfriarse es
mediante radiación de la superficie.
¿Qué tan común debe ser este tipo de objeto?
Tanto como las explosiones de supernovas, de dos a cuatro por siglo en la Vía
Láctea –la última observación se registró el 23 de febrero de 1987–, que forman
estrellas de neutrones, si es que éstas alcanzan la densidad crítica para
producir quarks. En tal caso serían muy comunes: varios
cientos de millones en nuestra Galaxia.
Pero si la densidad de una estrella
de neutrones recién nacida no alcanza la densidad crítica, hay otro mecanismo
que permite aumentarla hasta convertirla en una de quarks: que forme, junto con
otra, un sistema binario. “Si tiene una compañera cercana puede comenzar a
absorber su materia por medio de la fuerza de gravedad (o acretar), proceso que podría
durar cientos de millones de años. Poco a poco aumenta su masa, y por lo tanto
su densidad, y algún día puede transformarse en estrella de quarks”. Se
conocen alrededor de 250 de estos sistemas: en este caso las estrellas de
quarks serían pocas.
Hasta hoy, precisó Dany Page, no se han visto
estrellas de quarks. En abril del 2002, científicos estadounidenses anunciaron
haber medido el tamaño de la estrella RXJ 1856.5-3754, y se creyó que, por sus
medidas reducidas, sólo estaba formada por esas partículas. Sin embargo, hubo
muchas críticas y resultó que la interpretación de los datos no fue
convincente; el tamaño no es un factor determinante para distinguirlas.
En el espacio, el satélite INTEGRAL
(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) de la Agencia Espacial
Europea, lanzado a finales del año pasado, es capaz de detectar rayos gamma y X
de muy alta energía como los que emite una estrella de quarks hasta, incluso,
el Cúmulo de Virgo, a 48 millones de años luz
de distancia. “Crucemos los dedos para descubrir una de estas”, señala Page.
Con ayuda del método de Page y Usov, dado a
conocer en Physical Review Letters el 23 de septiembre de 2002, y en comunicado
de prensa de la American Physical Society, Physical Review Focus
(http://focus.aps.org/story/v10/st13), con seguridad será más sencillo.
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PIES DE FOTO
FOTO 1
Dany Page, investigador del
Instituto de Astronomía de la UNAM, desarrolló un modelo teórico completo sobre
el comportamiento de las estrellas de quarks que es, en sí mismo, un método
infalible para detectarlas.
FOTO 2
La densidad de
una estrella de neutrones es tal que todos los edificios de la ciudad de México
cabrían en el fondo de una cuchara. Si aumentara aún mas, los protones y
neutrones se disolverían, y los quarks se liberarían para formar un nuevo
estado de la materia, explicó Dany Page, investigador del Instituto de
Astronomía de la UNAM.