Extrañas partículas en el corazón de estrellas magnéticas

Los magnetares, estrellas de neutrones con fuertes campos magnéticos, se encuentran entre las cosas más extremas del universo. Su campo magnético es tan fuerte que afectará su composición y, al hacerlo, su radio o evolución. Debido a la intensa densidad en el núcleo de la magnetar, el material existe en una forma particularmente extraña. Pero los modelos que describes son perfectos. Y así, Kawan Marques, de la Universidad Federal de Santa Catarina, en Florianópolis, Brasil, y sus colegas estudiaron el efecto de la presencia de partículas raras, los bariones delta, en los núcleos de los magnetares.

La estrella extremadamente masiva tiene una vida corta durante la cual quema el hidrógeno y el helio que contiene a una velocidad vertiginosa. La energía liberada por las reacciones de fusión termonuclear crea suficiente presión para equilibrar la masa de la estrella. Pero cuando se acaba el combustible, la estrella colapsa sobre sí misma y explota en una supernova: las capas exteriores son expulsadas violentamente mientras el núcleo colapsa y forma una estrella de neutrones (o, a veces, un agujero negro).

Durante la formación de una estrella de neutrones, la velocidad de rotación de la estrella primaria y su campo magnético aumentan en varios órdenes de magnitud. Si el período de rotación final es del orden de un segundo o menos, entonces estamos hablando de un púlsar. Pero si la estrella inicial ya tiene un gran campo magnético, entonces el campo magnético del objeto final puede llegar a 10¹¹ Tesla en la superficie: entonces se llama magnetar. En comparación, una estrella de neutrones típica tiene un campo magnético del orden de 10 .⁸ El tesla promedio del sol es de aproximadamente 10 ^{– 4} Tesla, y los de la Tierra son sólo de 50 microtesla.

Bajo la influencia de una densidad extrema, la materia toma una forma atípica en las estrellas de neutrones. Gran parte de los electrones se fusionan con los protones del núcleo de un átomo para formar neutrones. Entonces la materia consta de núcleos ricos en neutrones, incluso de un fluido de neutrones, protones y electrones. Pero en el centro de la estrella, la presión es tan fuerte que permite que emerjan partículas más exóticas, que solo encontramos en la Tierra en colisiones de alta energía dentro de los aceleradores de partículas. Estas partículas, al igual que el protón y el neutrón, pertenecen a la familia de los bariones, es decir, están formadas por tres quarks (un protón está formado por dos quarks). a cuarc ; neutrón, dos y uno a).

Hasta ahora, los especialistas en sus modelos de estrellas de neutrones consideraban bariones relacionados con el protón y el neutrón (que tienen un spin igual a 1/2 y se agrupan en un grupo llamado «octeto»). Una pregunta que surge es el efecto del campo magnético sobre este material exótico. En 2015, Deparati Chatterjee, del Instituto IUCAA, en Pune, India, coautora de este nuevo estudio, con Jerome Novak y Michaela Ortel, del Laboratorio de Universo y Teorías (Loth), en París, estudiaron el impacto de un nuevo estudio Campo magnético intenso sobre un líquido de neutrones o quarks desprendidos. Se encontró que este efecto era débil.

Kauan Márquez y sus colegas tomaron en cuenta en su modelo una nueva partícula, los bariones delta, que tienen una rotación de 3/2 y que pertenecen a un «decuplet». Según los investigadores, estas partículas deberían tener una baja probabilidad de aparecer dentro de la materia exótica de las estrellas de neutrones y magnéticas, ya que son apenas un 30% más pesadas que el protón y el neutrón, e incluso más ligeras que algunos bariones de espín 1/2. . Otro interés de los bariones delta es su alto «momento magnético anómalo», una propiedad intrínseca que los hace más sensibles al campo magnético. Por lo tanto, la materia que contiene bariones delta debe interactuar con más fuerza que una simple interacción líquida de neutrones con un campo magnético, particularmente en una magnetar.

Para incluir bariones delta, el equipo de Cowan Marquis utilizó dos modelos para describir la formación de una estrella de neutrones a escala microscópica. En algunos casos, los bariones delta superan el 10% del contenido del núcleo de la estrella (con o sin campo magnético). Pero los investigadores tuvieron dificultades para estudiar los efectos de la presencia de estos bariones en las propiedades de la magnetar: el campo magnético distorsiona tanto la estrella que las ecuaciones clásicas derivadas de la relatividad general (las ecuaciones de Tolman-Oppenheimer-Volkoff), que suponen una geometría esféricamente simétrica, no se puede utilizar. Entonces, los investigadores usaron las ecuaciones de Einstein-Maxwell, que son difíciles de resolver.

¿Con qué resultado? Según estos nuevos cálculos, los magnetares enriquecidos con partículas delta tienen, para una masa dada, un radio menor que los magnetares sin estas partículas. «El equipo demostró que los imanes pueden contener bariones delta, señala Jerome Novak. Pero lo más interesante es que sus simulaciones magnéticas son compatibles con las limitaciones de la observación. Además, la masa de estos imanes enriquecidos puede ser de hasta dos masas solares», dijo. Jerome Novak dijo: «Este resultado no es fácil de obtener. En general, cuando sumamos la probabilidad de aparición de la partícula, se «diluye» la ecuación de estado y se reduce la masa máxima accesible, que suele estar por debajo del umbral observado para dos masas solares. Otro paso más para entender estas cosas extrañas.