Una estrella de quark es un tipo hipotético de estrella compacta y exótica , donde la temperatura y la presión del núcleo extremadamente altas han obligado a las partículas nucleares a formar materia de quarks , un estado continuo de la materia que consta de quarks libres .
Fondo
Algunas estrellas masivas colapsan para formar estrellas de neutrones al final de su ciclo de vida , como se ha observado y explicado teóricamente. Bajo las temperaturas y presiones extremas dentro de las estrellas de neutrones, los neutrones normalmente se mantienen separados por una presión de degeneración , estabilizando la estrella y obstaculizando un mayor colapso gravitacional. Sin embargo, se plantea la hipótesis de que bajo temperaturas y presiones aún más extremas, se supera la presión de degeneración de los neutrones, y los neutrones se ven obligados a fusionarse y disolverse en sus quarks constituyentes, creando una fase ultradensa de materia de quarks basada en quarks. En este estado, se supone que emergerá un nuevo equilibrio , ya que se producirá una nueva presión de degeneración entre los quarks, así como fuerzas electromagnéticas repulsivas que impedirán el colapso gravitacional.
Si estas ideas son correctas, las estrellas de quarks podrían aparecer y ser observables en algún lugar del universo. Teóricamente, tal escenario se considera científicamente plausible, pero ha sido imposible probarlo tanto observacional como experimentalmente, porque las condiciones extremas necesarias para estabilizar la materia de los quarks no se pueden crear en ningún laboratorio ni observar directamente en la naturaleza. La estabilidad de la materia de los quarks y, por tanto, la existencia de estrellas de quarks, se encuentra por estas razones entre los problemas no resueltos de la física .
Si se pueden formar estrellas de quarks, entonces el lugar más probable para encontrar materia de estrellas de quarks sería dentro de las estrellas de neutrones que exceden la presión interna necesaria para la degeneración de los quarks , el punto en el que los neutrones se descomponen en una forma de materia de quarks densa . También podrían formarse si una estrella masiva colapsa al final de su vida, siempre que sea posible que una estrella sea lo suficientemente grande como para colapsar más allá de una estrella de neutrones, pero no lo suficientemente grande como para formar un agujero negro .
Si existen, las estrellas de quarks se parecerían y se confundirían fácilmente con estrellas de neutrones: se formarían con la muerte de una estrella masiva en una supernova de Tipo II , serían extremadamente densas y pequeñas y poseerían un campo gravitacional muy alto. También carecerían de algunas características de las estrellas de neutrones, a menos que también contuvieran una capa de materia neutrónica, porque no se espera que los quarks libres tengan propiedades que coincidan con la materia neutrónica degenerada. Por ejemplo, pueden ser silenciosas en el radio o no tener tamaños, campos electromagnéticos o temperaturas superficiales típicos, en comparación con las estrellas de neutrones.
Historia
El análisis sobre las estrellas de quarks fue propuesto por primera vez en 1965 por los físicos soviéticos DD Ivanenko y DF Kurdgelaidze . [1] [2] Su existencia no ha sido confirmada.
La ecuación de estado de la materia de los quarks es incierta, al igual que el punto de transición entre la materia degenerada por neutrones y la materia de los quarks. Las incertidumbres teóricas han impedido hacer predicciones a partir de principios básicos . Experimentalmente, el comportamiento de la materia de los quarks se está estudiando activamente con colisionadores de partículas, pero esto solo puede producir manchas de plasma de quark-gluón muy calientes (por encima de 10 12 K ) del tamaño de núcleos atómicos, que se desintegran inmediatamente después de la formación. Las condiciones dentro de las estrellas compactas con densidades extremadamente altas y temperaturas muy por debajo de 10 12 K no se pueden recrear artificialmente, ya que no existen métodos conocidos para producir, almacenar o estudiar la materia de quarks "fría" directamente como se encontraría dentro de las estrellas de quarks. La teoría predice que la materia de los quarks posee algunas características peculiares en estas condiciones.
Formación
Se teoriza que cuando la materia degenerada por neutrones , que forma las estrellas de neutrones , se somete a suficiente presión de la propia gravedad de la estrella o de la supernova inicial que la crea, los neutrones individuales se descomponen en sus quarks constituyentes ( quarks up y quarks down ) , formando lo que se conoce como materia de quarks . Esta conversión podría limitarse al centro de la estrella de neutrones o podría transformar toda la estrella, dependiendo de las circunstancias físicas. Esta estrella se conoce como estrella de quark. [3] [4]
Estabilidad y extraña materia de quarks
Materia quark ordinario que consiste en quarks arriba y abajo (también referido como u y d quarks) tiene una muy alta energía de Fermi en comparación con la materia atómica ordinaria y sólo es estable a temperaturas y / o presiones extremas. Esto sugiere que las únicas estrellas de quarks estables serán las estrellas de neutrones con un núcleo de materia de quarks, mientras que las estrellas de quarks que consisten en su totalidad de materia de quarks ordinaria serán muy inestables y se disolverán espontáneamente. [5] [6]
Se ha demostrado que la alta energía de Fermi que hace que la materia de los quarks ordinarios sea inestable a bajas temperaturas y presiones puede reducirse sustancialmente mediante la transformación de un número suficiente de quarks up y down en quarks extraños , ya que los quarks extraños son, en términos relativos, muy pesados. tipo de partícula de quark. [5] Este tipo de materia de quarks se conoce específicamente como materia de quarks extraños y se especula y está sujeto a la investigación científica actual si de hecho podría ser estable en las condiciones del espacio interestelar (es decir, presión y temperatura externas cercanas a cero). Si este es el caso (conocido como el supuesto de Bodmer- Witten ), las estrellas de quarks compuestas completamente de materia de quarks serían estables si se transforman rápidamente en materia de quarks extraña. [7]
Estrellas extrañas
Las estrellas de quarks hechas de materia extraña de quarks se conocen como estrellas extrañas y forman un subgrupo bajo la categoría de estrellas de quarks. [7]
Las investigaciones teóricas han revelado que las estrellas de quarks no solo podrían producirse a partir de estrellas de neutrones y supernovas poderosas, sino que también podrían crearse en las primeras separaciones de fases cósmicas posteriores al Big Bang . [5] Si estas estrellas de quarks primordiales se transforman en materia de quarks extraña antes de que las condiciones externas de temperatura y presión del Universo primitivo las hagan inestables, podrían volverse estables, si la suposición de Bodmer-Witten es cierta. Estas extrañas estrellas primordiales podrían sobrevivir hasta el día de hoy. [5]
Caracteristicas
Las estrellas de quarks tienen algunas características especiales que las separan de las estrellas de neutrones ordinarias.
En las condiciones físicas que se encuentran dentro de las estrellas de neutrones, con densidades extremadamente altas pero temperaturas muy por debajo de 10 12 K, se predice que la materia de los quarks exhibirá algunas características peculiares. Se espera que se comporte como un líquido de Fermi y entre en la llamada fase de superconductividad de color con bloqueo de sabor y color (CFL) , donde "color" se refiere a las seis "cargas" exhibidas en la interacción fuerte , en lugar de la positiva y la las cargas negativas en el electromagnetismo . A densidades ligeramente más bajas, correspondientes a capas más altas más cercanas a la superficie de la estrella compacta, la materia del quark se comportará como un líquido de quark sin CFL, una fase que es incluso más misteriosa que las CFL y que podría incluir conductividad de color y / o varios elementos adicionales. fases aún por descubrir. Ninguna de estas condiciones extremas se puede recrear actualmente en los laboratorios, por lo que no se puede inferir nada sobre estas fases a partir de experimentos directos. [8]
Si la conversión de materia degenerada por neutrones en materia de quarks (extraña) es total, una estrella de quarks puede imaginarse hasta cierto punto como un único hadrón gigantesco . Pero este "hadrón" estará ligado por la gravedad, en lugar de por la fuerte fuerza que une a los hadrones ordinarios.
Estrellas de neutrones sobredensas observadas
Al menos bajo las suposiciones mencionadas anteriormente, la probabilidad de que una estrella de neutrones dada sea una estrella de quark es baja, [ cita requerida ] por lo que en la Vía Láctea solo habría una pequeña población de estrellas de quark. Sin embargo, si es correcto que las estrellas de neutrones sobredensas puedan convertirse en estrellas de quark, eso hace que el número posible de estrellas de quark sea mayor de lo que se pensaba originalmente, ya que los observadores estarían buscando el tipo de estrella equivocado. [ cita requerida ]
Las observaciones publicadas por el Observatorio de rayos X Chandra el 10 de abril de 2002 detectaron dos posibles estrellas de quarks, designadas RX J1856.5-3754 y 3C 58 , que anteriormente se pensaba que eran estrellas de neutrones. Basado en las leyes conocidas de la física, el primero parecía mucho más pequeño y el segundo mucho más frío de lo que debería ser, lo que sugiere que están compuestos de material más denso que la materia degenerada por neutrones . Sin embargo, estas observaciones son recibidas con escepticismo por los investigadores que dicen que los resultados no fueron concluyentes; [9] y desde finales de la década de 2000, se ha excluido la posibilidad de que RX J1856 sea una estrella de quark.
Otra estrella, XTE J1739-285 , [10] ha sido observada por un equipo liderado por Philip Kaaret de la Universidad de Iowa y reportada como posible candidata a estrella de quark.
En 2006, You-Ling Yue et al., De la Universidad de Pekín , sugirieron que PSR B0943 + 10 puede ser de hecho una estrella de quark de baja masa. [11]
En 2008 se informó que las observaciones de las supernovas SN 2006gy , SN 2005gj y SN 2005ap también sugieren la existencia de estrellas de quarks. [12] Se ha sugerido que el núcleo colapsado de la supernova SN 1987A puede ser una estrella de quark. [13] [14]
En 2015, Zi-Gao Dai et al. de la Universidad de Nanjing sugirió que la Supernova ASASSN-15lh es una extraña estrella de quark recién nacida. [15]
Otras formaciones de quarks teorizadas
Además de la materia de los quarks ordinarios y la materia de los quarks extraños, teóricamente podrían producirse o formarse otros tipos de plasma de quarks-gluones dentro de estrellas de neutrones y estrellas de quarks. Esto incluye lo siguiente, algunos de los cuales se han observado y estudiado en laboratorios:
- Robert L. Jaffe 1977, sugirió un estado de cuatro quarks con extrañeza (qs qs ).
- Robert L. Jaffe 1977 sugirió el H dibaryon , un estado de seis quarks con igual número de quarks ascendentes, descendentes y extraños (representados como uuddss o udsuds).
- Sistemas de múltiples quarks enlazados con quarks pesados (QQ qq ).
- En 1987, se propuso por primera vez un estado de pentaquark con un encanto anti-quark (qqqs c ).
- Estado de Pentaquark con un quark anti-desenfoque y cuatro quarks ligeros que constan únicamente de quarks ascendentes y descendentes (qqqq s ).
- Los pentaquarks ligeros se agrupan dentro de un antidecuplet, el candidato más ligero, Θ + , que también puede describirse mediante el modelo diquark de Robert L. Jaffe y Wilczek ( QCD ).
- Θ ++ y antipartícula Θ −− .
- Doblemente extraña pentaquark (ssdd u ), miembro de la antidecuplet pentaquark luz.
- El estado Charmed pentaquark Θ c (3100) (uudd c ) fue detectado por la colaboración H1. [dieciséis]
- Las partículas de tetraquark pueden formarse dentro de las estrellas de neutrones y bajo otras condiciones extremas. En 2008, 2013 y 2014 se descubrió e investigó la partícula tetraquark de Z (4430) en laboratorios de la Tierra . [17]
Ver también
- Estrella de planck
- Quark-nova
- Cromodinámica cuántica
- Estrellas de Neutrones - cuestión de neutrones - cuestión de neutrones degenerados - neutrones
- Desconfinamiento
- Límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff sobre la masa de una estrella de neutrones.
- Estrella compacta
- Estrella exótica
- Estrella neutrón
- Pulsar
- Magnetar
- enano blanco
- Agujero negro estelar
- Materia degenerada
- Materia QCD
- Plasma de quark-gluón
- Extraño
- Materia de quarks
- Neutronio
- Preon asunto
Referencias
- ↑ Ivanenko, Dmitri D .; Kurdgelaidze, DF (1965). "Hipótesis sobre las estrellas de quarks". Astrofísica . 1 (4): 251–252. Bibcode : 1965Ap ...... 1..251I . doi : 10.1007 / BF01042830 . S2CID 119657479 .
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Fuentes y lectura adicional
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enlaces externos
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