¿Forma la materia oscura las estrellas de quarks?

La energía necesaria para convertir una estrella de neutrones en una estrella extraña, puede provenir de la aniquilación de las partículas que componen la materia oscura.

Esta es la conclusión de una nueva investigación de científicos de España, Reino Unido y Estados Unidos, que proponen este mecanismo de conversión como una buena manera de fijar un límite inferior a la masa de las partículas masivas de interacción débil (WIMPs), uno de los principales candidatos a constituir la materia oscura.

Una vez que su combustible nuclear se ha consumido, las estrellas por debajo de una cierta masa colapsan y forman estrellas de neutrones. Estos objetos extraordinariamente densos consisten casi exclusivamente de neutrones, pues el colapso gravitatorio ha forzado a la fusión de los protones con los electrones. Sin embargo, se ha propuesto que, si existe alguna fuente externa de energía adicional, las estrellas de neutrones se pueden convertir en estrellas extrañas, objetos formadas por materia extraña: una sopa de quarks.

La idea es que al añadir esta energía a un determinado volumen limitado de la estrella de neutrones, se desbloquean los quarks arriba y abajo confinados dentro de los neutrones. Entonces algunos de estos quarks se convertirán en quarks extraños, produciendo una zona de materia extraña conocida como strangelet. Si, como se cree, la materia extraña es en realidad más estable que la materia nuclear normal, existirá a una menor energía. El exceso de energía generado por la conversión de materia normal en materia extraña liberará entonces más quarks arriba y abajo, lo que llevará a la creación de más strangelets.

El resultado es un proceso en cadena capaz de convertir toda una estrella de neutrones en una estrella compuesta por materia extraña en un periodo de un segundo o menos. “La estrella de neutrones es metaestable”, explica Joseph Silk de la Universidad de Oxford, quien estuvo implicado en el estudio. “De la misma forma que un pequeño empujón puede mover a la persona del borde de una montaña y enviarla ladera abajo, es necesaria muy poca energía para transformar una estrella de neutrones en una estrella extraña”.

¿La materia extraña, existe?

Aunque no hay evidencias claras de que en realidad exista la materia extraña, la observación de estallidos extremadamente breves de rayos gamma ultrabrillantes sugiere la existencia de estas estrellas extrañas. Los investigadores han propuesto que la enorme energía que se necesita para producir estos estallidos de rayos gamma podría venir de la formación de un agujero negro, pero la gran cantidad de partículas de materia normal que rodean al agujero podrían absorber gran parte de esa energía. La conversión de una estrella de neutrones en una estrella extraña, sin embargo, podría proporcionar la energía requerida pero sin que la absorba la materia circundante.

No obstante, esto deja en pie la cuestión de dónde obtiene la estrella de neutrones la primera chispa de energía. Algunos han sugerido que procede de la energía del colapso o de rayos cósmicos de muy alta energía que impactan con la estrella. Silk, sin embargo, señala que el primer mecanismo requiere que la estrella de neutrones posea una masa mínima, pero se plantea el problema de que sería poco probable volcar energía hacia el centro de la estrella, donde debería iniciarse la reacción en cadena.

En cambio Silk, Ángeles Pérez-García de la Universidad de Salamanca, y Jirina Stone de la Universidad de Tennessee, han calculado que la aniquilación de WIMPs, que se pueden acumular en el centro de las estrellas, podría aportar esta energía. Si se confirma, este mecanismo aportaría un límite inferior nuevo, e independiente, para la masa de un WIMP. Éste es de aproximadamente 4 GeV, la mitad de la energía mínima necesaria para iniciar la conversión de la estrella de neutrones (con cada WIMP aportando la mitad de masa-energía en cada colisión).

Una nueva manera de encontrar WIMPs.

Los buscadores terrestres de materia oscura son capaces de llegar hasta los 50 GeV. Por ello, Silk comenta que este nuevo planteamiento podría proporcionar un complemento útil a los experimentos actuales. Señala que la teoría no favorece a una masa para un WIMP de entre 4 y 50 GeV, pero que los recientes y controvertidos resultados de los detectores terrestres han sugerido un valor de unos 10 GeV.

El equipo afirma que hay dos líneas de observación podrían apoyar su tesis y, por lo tanto, ayudar a establecer un nuevo límite a la masa de las WIMPs. Una implicaría medir la masa y radio de una estrella extraña, obtenidas mediante el estudio de la radiación de los púlsares, y comparar estos valores con las predicciones hechas por su modelo y las de los modelos alternativos. Las pruebas también podrían lograrse creando y luego midiendo strangelets en el RHIC en los Estados Unidos, o en el LHC en el laboratorio del CERN.

Paolo Gondolo, de la Universidad de Utah, cree que el nuevo mecanismo es plausible pero tiene dudas de que pueda usarse en la búsqueda de la materia oscura. “Aun si se detectase una estrella extraña, podría ser difícil decir si se formó debido a la aniquilación de materia oscura”, comenta.

Un cauto apoyo para el mecanismo de materia oscura lo proporciona Dejan Stojkovic, de la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, quien dice que este proceso “podrían darse en la naturaleza”. Pero sostiene que se debe investigar la estabilidad de la estrella extraña en este escenario. “Si la aniquilación de WIMPs es demasiado rápida, o muy lenta, puede que la estrella nunca alcance un equilibrio termodinámico”.

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Vía: Astrofísica y Física