Las estrellas con una masa superior a unas ocho veces la del Sol llegan al final de su existencia luego de algunas decenas de millones de años con una potente y luminosa explosión llamada supernova. Durante este evento, que marca el final del proceso de generación de energía por fusión nuclear, la estrella moribunda expulsa sus capas exteriores y la materia restante puede seguir dos caminos. Si la masa total inicial de la estrella fuera mayor que la de 25 soles, el núcleo inerte sigue colapsando y se convierte en un agujero negro. Si tiene entre 10 y 25 masas solares, el núcleo central sobrevive a la explosión y se forma un objeto compuesto por un solo tipo de partículas: una estrella de neutrones.
Nuevos estudios sugieren que una estrella de neutrones de masa pequeña puede ser un objeto aún más exótico, previsto teóricamente, pero nunca observado de manera inequívoca: una estrella compuesta por cuarks sueltos, un tipo de partículas elementales e indivisibles, componentes fundamentales de la materia. Un artículo publicado por astrofísicos de la Universidad de São Paulo (USP) y de la Universidad Federal del ABC (UFABC) en el número de abril de la revista científica Astronomy & Astrophysics, indica que la masa, el radio y la temperatura superficial del objeto compacto XMMU J173203.3-344518, la denominación oficial de la estrella, coinciden con los modelos teóricos que predicen la existencia de este tipo de cuerpos celestes. Estos modelos aplican la relatividad general para inferir la gravitación y trabajan con diferentes escenarios de enfriamiento del núcleo de las supernovas.
“No estamos diciendo que se trate de una estrella extraña, sino que sus parámetros son compatibles con esta categoría de objeto”, comenta el astrónomo Jorge Horvath, de la USP, coordinador del grupo que llevó a cabo el estudio. Estrella extraña es el nombre técnico que se le asigna a un objeto remanente de una supernova formado por materia extraña, que contiene cuarks, sobre todo los del tipo strange, no confinados en el interior de las partículas ordinarias. Todas las partículas clasificadas como hadrones, de las cuales los protones y neutrones son las más estables, están compuestas por al menos dos o más cuarks que se mantienen unidos por la fuerza o interacción nuclear fuerte. Existen seis tipos o sabores de cuarks, cada uno con una carga eléctrica y una masa específicas: up, down, strange, charm, bottom y top [arriba, abajo, extraño, encantado, fondo y cima]. Al igual que las estrellas de neutrones, las extrañas no emiten luz visible. La pista principal de su existencia la constituyen sus intensas emisiones en frecuencias de rayos X, remanentes de la actividad de las supernovas que les dieron origen.
En la naturaleza, los cuarks no existirían sueltos, sino atrapados en el interior de los protones y neutrones. No obstante, en los hipotéticos objetos celestes más pequeños y densos incluso que las estrellas de neutrones, los cuarks, especialmente los del tipo extraño o strange podrían existir en forma aislada. “En una estrella extraña, los neutrones se habrían disuelto y generado una sopa de cuarks”, explica Horvath. El argumento principal que fundamenta la idea de que el objeto compacto XMMU J173203.3-344518 puede estar constituido por materia extraña es el valor revisado de su masa, que en un estudio publicado a finales de 2022 en la revista Nature Astronomy, fue reducido de 1,4 a 0,77 masa solar.
Aunque este cálculo contempla un margen de error estimado de aproximadamente un 20 %, una masa tan reducida se considera incompatible con la formación de una estrella de neutrones. De acuerdo con la teoría vigente, corroborada por datos observacionales, estos astros no pueden tener menos de 1,1 masas solares. “Un objeto con apenas 0,8 masa solar podría ser una estrella extraña o incluso una estrella de neutrones. Pero en este segundo caso, sería una estrella de neutrones excepcionalmente ligera, lo que también sería algo muy interesante”, dice, en una entrevista concedida a Pesquisa FAPESP el astrónomo ruso Victor Doroshenko, de la Universidad de Tubinga, en Alemania, autor principal del estudio en el cual el año pasado se recalculó la masa de la estrella en cuestión. En dicho trabajo también se corrigió el radio del objeto celeste, cuyo valor actual es de tan solo 10,4 kilómetros (km). El valor corregido se encuentra bastante cerca del límite inferior previsto para las estrellas de neutrones, cuyo radio varía entre 10 y 20 km.
La actualización de la masa y el radio de la misteriosa estrella surgen de la rectificación de su distancia al respecto de la Tierra. Con base en datos suministrados por el Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (Gaia), el observatorio espacial europeo cuyo objetivo es crear el mapa tridimensional más preciso de la Vía Láctea mediante la medición del brillo y la posición de 1.000 millones de estrellas, Doroshenko y sus colegas de Tubinga pudieron determinar que la estrella se encuentra a 8.150 años luz de la Tierra, aproximadamente un 20 % más cerca de lo que indicaban los cálculos anteriores. La corrección de la distancia de un astro lleva a la revisión de otros parámetros, como su masa y su radio. Después del Sol, la estrella más cercana a nuestro planeta es Próxima Centauri, situada a 4,2 años luz, alrededor de 1.900 veces más cerca que la posible estrella extraña.
Según el físico nuclear Manuel Malheiro, del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) de Brasil, una de las dificultades para defender la eventual existencia de las estrellas de cuarks radica en explicar el mecanismo de enfriamiento de su materia. Cuando una supernova explota alcanza temperaturas de miles de millones de kélvines (K). En las estrellas de neutrones, la temperatura superficial es de alrededor de 1 millón de K. Los modelos teóricos predicen que una estrella extraña sería mucho más fría que esto. Empero, según las estimaciones actuales, XMMU J173203.3-344518 presenta temperaturas superiores a 1 millón de K. “No sabemos explicar por qué esta estrella, que tendría de 2.000 a 6.000 años de vida, no se enfrió tan rápidamente como predice la teoría”, comenta Malheiro. Los científicos han sido unánimes al afirmar que las dudas al respecto de la existencia de las estrellas extrañas o de cuarks, que incluso serían más densas y estables que las de neutrones, solo podrán dirimirse cuando haya datos aún más precisos del valor de su masa y su radio.
Proyecto
Las estrellas de neutrones. Su estructura, su evolución y las ondas gravitacionales (nº 20/08518-2) Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Jorge Horvath (USP); Inversión R$ 103.206,59.
Artículos científicos
HORVATH, J. E. et al. A light strange star in the remnant HESS J1731-347: Minimal consistency checks. Astronomy & Astrophysics. v. 672. abr. 2023.
DOROSHENKO, V. et al. A strangely light neutron star within a supernova remnant. Nature Astronomy. v. 6. dic. 2022.
