¿Qué es una estrella de quarks?

¿Te imaginas condensar varios Soles en una esfera de poco más de 1 km de diámetro? ¿Coger varias estrellas como el Sol, con una masa de 1.990 millones de cuatrillones de kg y un diámetro de 1.400.000 km, en un cuerpo celeste de apenas mil metros de diámetro?

Puede parecer ciencia ficción, pero lo cierto es que esta situación es perfectamente posible dentro de lo que conocemos acerca de la vida y muerte de las estrellas. El Universo tiene una edad de 13.800 millones de años y un diámetro de 93.000 millones de años luz, por lo que es suficientemente inmenso y longevo como para ser el hogar de misterios asombrosos y, en ocasiones, aterradores.

Y uno de estos misterios es, sin duda, todo lo que tiene que ver con la muerte de las estrellas supermasivas, aquellas que tienen una masa de varios soles. Cuando estas agotan su combustible, mueren y colapsan gravitatoriamente, suceden cosas que hacen tambalear las leyes de la física.

Y en el artículo de hoy hablaremos de unas estrellas que podrían formarse tras el colapso gravitatorio de estrellas casi tan masivas como para colapsar en un agujero negro, quedándose a medias entre esta singularidad y una estrella de neutrones. Las estrellas de quarks. Prepárate para que tu cabeza estalle.

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¿Qué son las estrellas de quarks?

Las estrellas de quarks son unas hipotéticas estrellas compuestas de quarks, las partículas elementales que constituyen a los protones y los neutrones. Se trata de una estrella cuya existencia no está confirmada pero que se formaría tras el colapso gravitatorio de estrellas lo suficientemente masivas como para desintegrar los neutrones en quarks, dando lugar a una esfera con un diámetro de apenas 1 km pero una densidad de un trillón de kg por metro cúbico.

En este sentido, las estrellas de quarks serían los objetos más densos del Universo (sin contar los agujeros negros ni las hipotéticas estrellas de preones) y también los más calientes, con temperaturas en su núcleo (con el tamaño de una manzana) de 8.000.000.000 ℃.

Las estrellas de quarks se formarían, en principio (no olvidemos que su existencia no está confirmada), tras el colapso gravitatorio de estrellas increíblemente masivas. Más masivas que aquellas que, al morir, dan lugar a las famosas estrellas de neutrones pero no tan masivas como para colapsar en una singularidad y dar lugar así a un agujero negro.

Por lo tanto, las estrellas de quarks serían el punto intermedio entre una estrella de neutrones y un agujero negro. Serían justo el paso previo a la formación de esta singularidad espacio-temporal donde la propia materia se rompe y surge un agujero negro.

Sea como sea, estas estrellas serían una “papilla” increíblemente densa y extrema de quarks, las partículas subatómicas elementales que constituyen a los protones y los neutrones. De forma más técnica, los quarks son los fermiones elementales que interactúan de forma muy fuerte y que, siendo masivos (dentro de que son partículas subatómicas) forman la materia del núcleo del átomo y otras partículas llamadas hadrones.

Junto a los leptones (la familia de los electrones), los quarks son los constituyentes principales de la materia bariónica, es decir, aquella que, pese a representar solo el 4% del Universo, es aquella con la que podemos interactuar y percibir.

En este contexto, el colapso gravitatorio de la estrella moribunda en forma de supernova no culmina dejando como remanente una estrella de neutrones donde los protones y los electrones se fusionan en neutrones, sino que los propios neutrones se rompen en sus partículas elementales constituyentes: los quarks.

Estamos rompiendo no solo las distancias dentro del átomo (los átomos se han roto y han quedado los neutrones), sino también los propios neutrones, dando lugar a una estrella que sería el cuerpo celeste más denso del Universo. Un metro cúbico de estrella de quarks pesaría cerca de un trillón de kg. O lo que es lo mismo, un metro cúbico de esta estrella pesaría 1.000.000.000.000.000.000 de kg.

Es, simplemente, inimaginable. Y esta densidad explica no solo que puedan tener una masa como la de varios Soles condensada en una esfera de solo 1 km de diámetro, sino que seamos incapaces de detectarlas. Sin embargo, lo que sabemos de astrofísica permite su existencia. ¿Son reales las estrellas de quarks? Esa es otra pregunta que, ojalá, podamos responder en un futuro.

En resumen, una estrella de quarks es un hipotético cuerpo celeste que queda como remanente de la muerte de una estrella suficientemente masiva como para que su colapso gravitatorio no solo rompa sus átomos, sino que los propios neutrones se desintegren en quarks, sus partículas elementales constituyentes, dando lugar a una estrella consistente en una “papilla” de quarks donde se logran densidades de 1 trillón de kg/m³ y unas temperaturas en el núcleo de 8.000 millones de ℃. Es asombroso pensar en una estrella tan pequeña pero tan extrema en medio del espacio. Asombroso y aterrador.

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¿Cómo se formarían las estrellas de quarks?

No olvidemos que las estrellas de quarks son estrellas hipotéticas. Su existencia no está comprobada y todo se basa en predicciones matemáticas y físicas. A nivel teórico, pueden existir. A nivel práctico, no lo sabemos. Estamos, por desgracia, muy limitados por la tecnología.

Además, se cree que solo el 10% de las estrellas de nuestra galaxia son lo suficientemente masivas como para estallar en forma de supernova y dejar como remanente una estrella de neutrones (las menos masivas dentro de las hipermasivas) o un agujero negro (las más masivas dentro de las hipermasivas). Y estas estrellas de quarks vendrían de un rango muy específico dentro de este 10%.

Y si a esto le sumamos que solo tienen lugar entre 2 y 3 supernovas en nuestra galaxia cada siglo, las proabilidades de que una de ellas tenga la masa exacta como para no quedarse en estrella de neutrones pero tampoco para colapsar en un agujero negro, sino que se quede en una estrella de quarks, son muy bajas. No debe extrañarnos que no las hayamos detectado. Pero lo que sí sabemos perfectamente es cómo, en caso de existir, se formarían. Veámoslo.

1. Una estrella supermasiva empieza a agotar su combustible

Las estrellas supermasivas son aquellas que tienen entre 8 y 120 (se cree que no pueden ser más masivas) masas solares. Y no olvidemos que el Sol, una enana amarilla, tiene una masa de 1.990 millones de cuatrillones de kg. Así que estamos ante verdaderos monstruos.

Sea como sea, se cree que la muerte de las estrellas con una masa entre 8 y 20 veces la del Sol, al morir, dejan como remanente una estrella de neutrones. Y las que tienen una masa de entre 20 y 120 veces la del Sol, un agujero negro. Por lo tanto, para las estrellas de quarks, que ya hemos visto que es justo el paso intermedio entre ambas, deberíamos situarnos en estrellas con unas 20 masas la del Sol.

Esta estrella supermasiva sigue su secuencia principal, que es la etapa más longeva de su vida (estas estrellas suelen vivir unos 8.000 millones de años, pero es muy variable) durante la cual consume su combustible a través de la fusión nuclear, “generando”, en su núcleo, átomos pesados.

Ahora bien, cuando esta estrella 20 veces más masiva que el Sol empieza a agotar sus reservas de combustibles, se inicia la cuenta atrás. Empieza a romperse el tan delicado y perfecto equilibrio que había entre la gravedad (que tiraba hacia dentro) y la fuerza nuclear (que tiraba hacia fuera). La estrella está a punto (que a escala astronómica, son millones de años) de morir.

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2. Muerte en forma de supernova

Cuando esta estrella empieza a agotar su combustible, lo primero que sucede es que, al perder masa, la gravedad no puede contrarrestar a la fuerza nuclear y se hincha. Puede parecer contraintuitivo, pero tiene sentido: al haber menos masa, hay menos gravedad y, por tanto, menos fuerza que tire hacia dentro, por lo que gana la nuclear, que tira hacia fuera. De ahí el aumento de volumen.

La estrella empieza a crecer, saliendo de su secuencia principal y convirtiéndose en una supergigante roja (como UY Scuti, la estrella más grande de la galaxia, con un diámetro de 2.400 millones de km, que está en esta etapa) que sigue hinchándose.

Y sigue haciéndolo hasta que, cuando agota por completo su combustible, la situación se invierte. Cuando la fusión nuclear se apaga, la fuerza nuclear termina de repente y, de las dos fuerzas que mantenían el equilibrio del cuerpo celeste, solo quedará una: la gravedad.

De golpe, deja de haber una fuerza que tira hacia fuera y solo queda una que tira hacia dentro. La gravedad gana y provoca un colapso bajo su propia masa que culmina con el fenómeno más extremo y violento del Universo: una supernova.

Una supernova es una explosión estelar causada por el colapso gravitatorio de una estrella que acaba de morir (al apagar su fusión nuclear) donde se alcanzan temperaturas de 3.000 millones de ℃ y se liberan ingentes cantidades de energía, incluidos rayos gamma. La estrella expulsa sus capas más externas, pero siempre (o casi siempre) queda como remanente algo. El núcleo.

Para saber más: “¿Qué es una supernova?”

3. El colapso gravitatorio rompe los átomos

Y es en este núcleo donde, a causa de la increíble intensidad del colapso gravitatorio, empiezan a romperse las fuerzas fundamentales. Y cuando este colapso es capaz de romper la fuerza electromagnética que daba integridad al átomo, empiezan a pasar cosas extrañas.

El colapso gravitatorio que sigue a la explosión en forma de supernova es capaz de romper los átomos, en el sentido de conseguir contrarrestar las repulsiones electromagnéticas entre electrones y protones, consiguiendo así que ambos se fusionen en neutrones.

Los átomos como tal han desaparecido, por lo que pasamos de tener un espacio vacío en el 99,9999999% (prácticamente todo el átomo es vacío) a tener una “papilla” de neutrones donde prácticamente no hay vacío.

Tenemos entonces una estrella de neutrones con una masa similar a la del Sol pero un diámetro de, gracias a la densidad que se logra, apenas 10 km. El Sol es una esfera con el tamaño de la isla de Manhattan. Pero espera todavía no has visto nada. Y es que si la estrella original estaba muy cerca de la masa necesaria para colapsar en un agujero negro pero se ha quedado a las puertas, puede suceder la magia.

Para saber más: “¿Qué es una estrella de neutrones?”

4. Formación de una estrella de quarks

Los neutrones son partículas subatómicas, sí, pero partículas subatómicas compuestas. Esto significa que están formados por partículas subatómicas elementales. En concreto, cada neutrón está formado por tres quarks: dos Down y un Up.

Y estos quarks están unidos entre ellos por la fuerza fundamental más fuerte (valga la redundancia) de todas: la fuerza nuclear fuerte. Y en el Universo, solo un colapso casi lo suficientemente intenso como para romper la materia en una singularidad podría desintegrar esta interacción tan fuerte.

Pero podría suceder. Y en este contexto, el colapso gravitatorio podría romper la fuerza nuclear fuerte de los neutrones, desintegrándolos en sus partículas elementales (los quarks) y teniendo así una “papilla” de quarks todavía más densa y extrema.

No solo tendríamos una estrella de solo 1 km de diámetro y con una densidad de 1.000.000.000.000.000.000 de kg por metro cúbico, sino que su núcleo, donde se alcanzan temperaturas de 8.000 millones de °C, tendría el tamaño de una manzana pero una masa como la de dos Tierras. De nuevo, asombroso y aterrador. El Universo alberga todavía muchos secretos que, esperemos, podamos descifrar.