Los expansivos residuos de la supernova que observó Tycho Brahe, en una imagen de rayos X en falso color tomada por el Observatorio Chandra: el plasma, en verde y en rojo según los millones de grados de su temperatura, y los electrones de alta velocidad, como filamentos azules [NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.].
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Una estrella cuya masa sea de más de unas ocho veces la del Sol explota al final de su vida como una espectacular supernova, una cuya causa es la contracción de su núcleo hasta convertirse en una estrella de neutrones o un agujero negro. Los astrónomos han observado estrellas de neutrones especialmente pesadas, con una masa dos veces la solar, pero no estaba claro cómo se formaban. Ahora se ha hallado una posible vía: en una estrella de masa singularmente grande, unas cincuenta veces la del Sol, la presión sobre su interior es tan grande que la materia puede adquirir un estado peculiar, en el que los quarks (los ladrillos con que se hacen los protones y los neutrones, y que por lo normal son indisociables de estos) están, en principio, libres. La formación de ese plasma de quarks y gluones (PQG) libera grandes cantidades de energía y la explosión deja tras de sí una estrella de neutrones pesada que tiene un núcleo de quarks. A esta conclusión llegan Tobias Fischer, de la universidad de Breslau, y sus coautores, que han publicado los resultados de su simulación por ordenador en Nature Astronomy.
La masa es la principal magnitud que decide el destino de una estrella, incluidas la masa expulsada, el brillo y el decaimiento de este tras la explosión final. Los astrofísicos investigan la diversidad de posibilidades con programas de ordenador que permiten asistir a los complejos procesos que se supone que suceden dentro de las estrellas. Hace mucho que está claro que cuando la densidad es extrema la materia se «neutroniza»: los electrones, con su carga negativa, se fusionan con los protones de carga positiva, con lo que en lugar de ambos pasa a haber neutrones y se generan de paso neutrinos. Los núcleos de las estrellas emiten entonces tantas de esas partículas que puede llegar a haber muchas capturas de ellas (pese a que interaccionan muy poco), lo cual desencadena la explosión de supernova.
Si se comprime aún más la materia (hasta densidades mayores que la de los núcleos atómicos, es decir, hasta más de 250.000 millones de kilogramos por centímetro cúbico, lo que viene a equivaler a una cordillera en el volumen de un chupito), el fluido neutrónico se convierte en una «sopa de quarks», el PQG. Los neutrones están formados por un quark arriba y un quark abajo, que se mantienen unidos por la acción de los gluones (palabra que viene del inglés glue, pegar). Cuando la densidad es extrema los neutrones desaparecen y los quarks y gluones nadan casi libres en un estado que recuerda a un plasma.
Que no se trata de mera teoría se comprobó en 2004 en el RHIC, el Colisionador de Iones Pesados Relativistas. Este acelerador de partículas hizo que chocasen entre sí pesados iones de oro de modo que crearon durante un breve instante un PQG. Los cosmólogos creen que ese estado de la materia se dio también poco después de la Gran Explosión.
Fischer y sus colaboradores han programado un ordenador para que ejecute las ecuaciones que describen la transición entre la materia normal y la de quarks, y han simulado las explosiones de estrellas de 12, 18, 25 y 50 masas solares. Las de mayor masa no explotan en los modelos teóricos sin transición hacia la materia de quarks: el colapso del núcleo de la estrella crea un agujero negro, pero si la masa es de 50 soles la explosión queda frustrada (al contrario de lo que ocurre con masas menores). Con las nuevas ecuaciones se puede evitar este final: la transición a la materia de quarks libera mucho calor e impulsa una segunda onda de choque supersónica (aparte de la onda ya conocida en los modelos anteriores), y esta segunda onda, no la primera, es la que desencadena la explosión. Y no se forma un agujero negro: el residuo que queda es una estrella de neutrones con un núcleo de materia de quarks, una estrella de las conocidas como híbridas, que nace con las buscadas dos masas solares.
Un paso adicional consistió en el cálculo de las curvas de luminosidad de las supernovas y la evolución con el tiempo del brillo de la explosión. El mecanismo explosivo basado en la transición a la materia de quarks resultó ser compatible con curvas de luz diferentes. Si la estrella había expulsado antes de la explosión una parte relativamente pequeña de su masa, la propagación de la materia arrojada por la explosión a través de las capas de oxígeno y carbono aún conservadas por la estrella producía una luminosidad limitada. El resultado era como el de una supernova de colapso de núcleo del tipo llamado peculiar, por ejemplo la supernova 1987A, cuya estrella original tuvo inicialmente una masa de unas 20 soles, pero como las supernovas basadas en la materia de quarks crean, según la simulación, poco níquel, menos que una supernova de colapso de núcleo, la intensidad de la luz emitida caía más deprisa. Pero si la estrella había expulsado buena parte de su masa en sus últimos meses de vida, creando así una atmósfera difusa a su alrededor, la interacción de esta con la materia expelida por la explosión de supernova impulsada por la transción a de materia de quarks convertía eficazmente la energía de la explosión en calor, con una consiguiente gran emisión de luz: la supernova era entonces superluminosa.
Los astrofísicos de partículas pueden medir también los neutrinos de una supernova, pero es más difícil detectarlos; con la distancia, solo llega un puñado a la Tierra. Fischer y sus colaboradores predicen dos «relámpagos neutrínicos». El primero se produce con el colapso y la neutronización, y se compone de neutrinos electrónicos, y ya era conocido. Pero habría otro, un «relámpago de antineutrinos», generado con la segunda onda de choque, que hasta ahora no ha sido observado. Su detección sería una prueba del mecanismo generador de supernovas basado en la transición a la materia de quarks; el lapso de tiempo entre ambos relámpagos, además, ofrecería claves sobre las propiedades de esta.
Por ahora, estas simulaciones por ordenador se basan en un modelo simplificado. Los investigadores quieren dotarlas de más dimensiones e incorporar otros efectos, como la convección y las inestabilidades. No obstante, Fischer y su equipo esperan que lo esencial del cuadro general se mantenga válido.
Andreas Müller / spektrum.de
Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Spektrum der Wissenchaft.
Referencia: «Quark deconfinement as a supernova explosion engine for massive blue supergiant stars», de Tobias Fischer et al. en Nature Astronomy (2018).
