Partículas exóticas en el corazón de los magnetares

Los magnetares, estrellas de neutrones con fuertes campos magnéticos, se encuentran entre los objetos más extremos del Universo. Su campo magnético es tan potente que influiría en su composición y, con ello, en su radio o en su evolución. Debido a la extrema densidad en el corazón de un magnetar, la materia se encuentra en una forma particularmente exótica. Pero los modelos que lo describen son perfectibles. Kauan Márquez, de la Universidad Federal de Santa Catarina, en Florianópolis, Brasil, y sus colegas estudiaron así el impacto de la presencia de partículas raras, los bariones delta, en el corazón de los magnetares.

Una estrella muy masiva tiene una vida corta durante la cual quema el hidrógeno y el helio que contiene a una velocidad vertiginosa. La energía liberada por estas reacciones de fusión termonuclear genera suficiente presión para contrarrestar 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 inicial y su campo magnético aumentan en varios órdenes de magnitud. Si el período de rotación final es del orden de un segundo o menos, hablamos de un púlsar. Pero si la estrella inicial ya tenía un gran campo magnético, el campo magnético del objeto final podría llegar a 10¹¹ teslas en la superficie: entonces se llama magnetar. En comparación, una estrella de neutrones típica tiene un campo magnético del orden de 10⁸ teslas, la del Sol promedia alrededor de 10 ^{– 4} tesla, y la de la Tierra es de solo 50 microteslas.

Bajo el efecto de una densidad extrema, la materia adquiere una forma atípica en las estrellas de neutrones. Gran parte de los electrones se fusionan con los protones de los núcleos atómicos para formar neutrones. Entonces, la materia se compone de núcleos enriquecidos con neutrones, incluso un fluido de neutrones, protones y electrones. Pero en el centro de la estrella, la presión es tan fuerte que permite que aparezcan partículas aún más exóticas, que solo encontramos en la Tierra en colisiones de alta energía dentro de los aceleradores de partículas. Estas partículas pertenecen, como el protón y el neutrón, a la familia de los bariones, es decir, están compuestas por tres quarks (el protón está compuesto por dos quarks). una y un quark ; el neutrón, dos es un una).

Hasta ahora, los expertos consideraban en sus modelos de estrellas de neutrones sólo los bariones relacionados con el protón y el neutrón (todos con espín igual a 1/2 y reunidos en un grupo llamado “octeto”). Una de las preguntas que surge es el efecto del campo magnético sobre este exótico material. En 2015, Debarati Chatterjee del instituto IUCAA en Pune, India, coautora de este nuevo estudio con Jérôme Novak y Micaela Oertel del Laboratorio de Universos y Teorías (Luth) en París, estudió el impacto de un campo magnético intenso en un líquido de neutrones o quarks no confinados. Este efecto se consideró débil.

Kauan Márquez y sus colegas ahora han tenido en cuenta en su modelo nuevas partículas, bariones delta, que tienen un giro de 3/2 y pertenecen a un “decuplet”. Según los investigadores, estas partículas deben tener una probabilidad no despreciable de aparecer dentro de la materia exótica de las estrellas de neutrones y los magnetares, porque son solo un 30% más pesadas que el protón y el neutrón, e incluso más ligeras que algunos bariones de espín 1/2. El otro interés de los bariones delta es su alto “momento magnético anómalo”, una característica intrínseca que los hace más sensibles al campo magnético. Por lo tanto, la materia que contiene bariones delta debe reaccionar con más fuerza que un simple fluido de neutrones ante la presencia de un campo magnético, particularmente en una magnetar.

Para incluir los bariones delta, el equipo de Kauan Márquez usó dos modelos para describir la composición de una estrella de neutrones a escala microscópica. En algunos casos, la proporción de bariones delta supera el 10% del contenido del núcleo de la estrella (con o sin campo magnético). Pero los investigadores se encontraron con una dificultad para estudiar los efectos de la presencia de estos bariones en las características del magnetar: el campo magnético deforma tanto la estrella que no es posible utilizar las ecuaciones clásicas derivadas de la relatividad general (Tolman-Oppenheimer -Ecuaciones de Volkoff), que asumen una geometría esféricamente simétrica. Por lo tanto, los investigadores utilizaron las ecuaciones de Einstein-Maxwell, que son más 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 las magnetares pueden contener bariones delta, señala Jérôme Novak. Pero, lo que es más interesante, sus simulaciones de magnetar son compatibles con las limitaciones observacionales. Además, la masa de estos magnetares enriquecidos puede ser de hasta dos masas solares. “Este resultado no es fácil de obtener, insiste Jérôme Novak. En general, cuando agregamos la posibilidad de que aparezca una partícula, “suaviza” la ecuación de estado y reduce la masa máxima alcanzable, que a menudo cae por debajo del umbral observado de dos masas solares. Un paso más hacia la comprensión de estos extraños objetos.