¿Qué es una estrella de preones?

El Universo es un lugar asombroso y, a la vez, lleno de misterios increíbles que, en ocasiones, pueden incluso ser aterradores. Por mucho que avancemos en nuestro conocimiento del Cosmos, hay miles de cosas que todavía desconocemos. Y es que por cada pregunta que respondemos, muchas otras aparecen.

Y en este contexto, es la muerte de las estrellas lo que encierra más secretos. Es al morir una estrella que tienen lugar los acontecimientos más violentos y asombrosos del Universo, desde la formación de estrellas de neutrones hasta la aparición de singularidades en el espacio-tiempo, dando lugar así a un agujero negro.

Y justo cuando creíamos haber resuelto el enigma de las muertes estelares, de entre las fórmulas y leyes físicas afloró la posibilidad de que existieran unos cuerpos celestes más increíbles que cualquier otro: las estrellas de preones.

¿Te imaginas comprimir el Sol en una esfera del tamaño de una pelota de golf? Que esta pregunta sirva como aperitivo antes de sumergirnos en un apasionante viaje en el que analizaremos la supuesta existencia de unas estrellas compuestas por unas hipotéticas partículas subatómicas que juegan como ninguna otra con las leyes del Universo.

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¿Qué son las estrellas de preones?

Las estrellas de preones son unas hipotéticas estrellas compuestas de preones, unas partículas subatómicas cuya existencia no está comprobada. Se trata de un tipo de estrella hipotética (no hemos podido confirmar pero tampoco desmentir su existencia) increíblemente pequeña. Como hemos dicho, con el tamaño aproximado de una pelota de golf.

En este contexto, las estrellas de preones, en teoría, se formarían tras el colapso gravitatorio de estrellas increíblemente masivas. Más masivas que aquellas que dan lugar, al morir, a las estrellas de neutrones pero no lo suficiente como para colapsar en una singularidad y dar lugar así a un agujero negro. Serían justo el paso previo a la formación de esta singularidad espacio-temporal. Aun así, más adelante analizaremos en profundidad su hipotético proceso de formación.

Estas estrellas serían una “papilla” de lo que se conoce como preones, un tipo de partículas subatómicas hipotéticas (ni siquiera sabemos si las partículas que las componen existen en realidad) que constituirían uno de los elementos más elementales (valga la redundancia) del Universo.

En este sentido, mientras que las estrellas masivas que colapsan en forma de supernova y dejan como remanente una estrella de neutrones, que recibe este nombre porque los átomos se rompen y los protones y los electrones se fusionan en neutrones (permitiendo así tener una esfera de poco más de 10 km de diámetro), en estas estrellas de preones el colapso gravitatorio es tan increíblemente violento que ya no solo se rompen los átomos, sino que los propios neutrones (e incluso los quarks) se rompen.

En el colapso gravitatorio que da lugar a una estrella de preones, los neutrones se romperían en quarks (estas partículas sí que sabemos que existen), que son las partículas subatómicas elementales de los neutrones y los protones; y los quarks, a su vez, se romperían en las que, en teoría, podrían ser sus partículas elementales: los preones.

Al romper no solo las distancias dentro del átomo, sino entre las propias partículas subatómicas, obtendríamos un cuerpo increíblemente denso. De hecho, en caso de existir, las estrellas de preones serían el cuerpo celeste con más densidad del Universo (sin contar los agujeros negros, claro). Estamos hablando de que un metro cúbico de estrella de preones pesaría cerca de un cuatrillón de kilogramos. Sí. Un metro cúbico de esta estrella pesaría 1.000.000.000.000.000.000.000.000 kg. Simplemente, inimaginable.

Esta densidad explica no solo que, como hemos dicho, estas estrellas tengan una masa como la del Sol pero un tamaño no mucho más grande que una pelota de Golf o que una manzana, sino que, al ser tan increíblemente pequeñas, seamos incapaces de detectarlas. Las leyes de la física permiten su existencia y, de hecho, es razonable pensar que existan (el mayor obstáculo es saber si los preones existen), pues las estrellas que se quedan a las puertas de colapsar en una singularidad podrían romper sus partículas subatómicas más elementales.

En resumen, una estrella de preones es un hipotético cuerpo celeste que queda como remanente de la muerte de una estrella casi tan masiva como para colapsar en una singularidad y en la que los quarks se romperían en unas supuestas partículas subatómicas llamadas preones, permitiendo así la formación de una estrella que, en caso de existir, sería el objeto más denso del Cosmos. El Sol en una pelota de golf. Simplemente, asombroso.

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¿Cómo se formarían las estrellas de preones?

Como hemos dicho, son estrellas hipotéticas. No hay nada comprobado, pues a pesar de que las predicciones matemáticas y físicas indican que su existencia sería posible, estamos muy limitados por la tecnología.

Y es que se estima que solo el 10% de las estrellas de nuestra galaxia (y del Universo en general) son suficientemente masivas como para que su muerte y posterior colapso gravitatorio (estallando también en supernova) derive en estrellas de neutrones, estrellas de quarks, agujeros negros y estas supuestas estrellas de preones.

Si tenemos en cuenta que se estima que solo tienen lugar entre 2 y 3 supernovas en nuestra galaxia cada siglo, que las supernovas son siempre el paso previo a la formación de estos cuerpos celestes que hemos enumerado, que estas estrellas de preones tendrían el tamaño de una pelota de golf (no podríamos verlas, solo detectar su intenso poder gravitatorio), y que, como veremos, serían una casualidad muy grande, no es de extrañar que no hayamos podido detectarlas. Aun así, en caso de existir, sabemos bien cómo sería el proceso que permitiría su formación. ¿Quieres conocerlo? Vamos allá.

1. Secuencia principal de una estrella supermasiva

Empecemos, como no puede ser de otra manera, por el principio. Todo comienza con el nacimiento de una estrella. Y es precisamente en este proceso de formación que se determina el destino de dicha estrella. Dependiendo de la masa que tenga, quedará predestinada a morir de una forma u otra.

Las estrellas con masas más pequeñas que el Sol o, como mucho, unas siete veces más masivas, están destinadas a morir de una forma muy aburrida. No habrá supernovas ni estrellas de neutrones ni nada. Sin ir más lejos, nuestro Sol, cuando muera, se convertirá en una enana blanca, que será un remanente de su muerte. Estas enanas blancas son 66.000 veces más densas que la estrella original y son el resultado de un colapso gravitatorio en el que el núcleo se compacta hasta tener una esfera del tamaño aproximado de la Tierra. No está mal. Pero queremos cosas más extremas.

Y para encontrarnos con cosas más extremas, tenemos que viajar hasta las estrellas supermasivas. Y es justo alrededor de las 20 masas solares que, como veremos, sucede la magia. Se estima que una estrella de entre 8 y 20 masas solares, al morir, colapsa en una estrella de neutrones. Y que cuando tiene entre 20 y 120 masas solares (se cree que este es el límite de masa de una estrella), al morir, colapsa en un agujero negro.

Pero, ¿seguro que no hay un término medio entre una estrella de neutrones y un agujero negro? La teoría de las estrellas de preones nos dice que sí. No hay una frontera bien marcada entre estrella de neutrones y agujeros negros. Tiene que haber matices. Y aquí es donde entran en juego estos asombrosos cuerpos celestes.

La estrella supermasiva con alrededor de 20 masas solares sigue su secuencia principal (la etapa más longeva de su vida en la que consume su combustible) de forma normal, pero cuando empieza a agotar su combustible, se inicia la cuenta atrás. Está en camino de morir.

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2. Los átomos de la estrella se rompen

Cuando la estrella empieza a agotar su combustible, el perfecto equilibrio que había entre la fuerza de las reacciones de fusión nuclear (que tiran hacia fuera) y la propia gravedad de la estrella (que tira hacia dentro) se rompe.

A causa de la pérdida de masa, al principio, la fuerza de la gravedad no puede contrarrestar a la que queda de la nuclear. Cuando esto sucede, la fuerza de la fusión nuclear le gana la partida a la gravedad, haciendo que esta se hinche, es decir, que aumente de volumen. Es en esta fase en la que se encuentran las estrellas más grandes del Universo.

La estrella continúa perdiendo masa y la fuerza nuclear sigue ganando hasta que, cuando se agota por completo el combustible, la situación se invierte. Cuando el núcleo de la estrella se apaga y se detiene la fusión nuclear. ¿Y qué provoca esto? Pues que de las dos fuerzas que mantenían el equilibrio, solo queda una: la gravedad.

Y esta gravedad hará que la estrella colapse bajo su propio peso. Se produce, pues, el colapso gravitatorio que marca no solo la muerte de la estrella, sino el inicio de los sucesos asombrosos e inquietantes que veremos a continuación.

El colapso gravitatorio no solo provoca que la estrella estalle en forma de supernova (el fenómeno más violento de todo el Universo), sino que su núcleo sea presa de fuerzas de compresión que, simplemente, son inimaginables.

Cuando la estrella colapsa gravitatoriamente y explota dando lugar a una supernova, queda como remanente su núcleo, el cual está sufriendo las consecuencias de dicho colapso. Tanto es así que los propios átomos de la estrella se rompen. Los protones y los electrones se fusionan en neutrones, cosa que hace que las distancias intraatómicas desaparezcan (recordemos que el 99,9999999% del volumen del átomo era vacío y ahora, de repente, ya no queda vacío) y que se forme una “papilla” de neutrones.

Muchas estrellas supermasivas, al morir, se quedan en esta fase de estrella de neutrones, un tipo de cuerpo celeste cuya existencia está absolutamente confirmada y que alcanza densidades de cerca de un trillón de kg por metro cúbico. Imagina comprimir el Sol en una esfera de 10 km, más o menos el tamaño de la isla de Manhattan. Esto es una estrella de neutrones.

Pero para llegar a la estrella de preones, no nos podemos quedar aquí. Entramos en el terreno de las hipótesis y veamos qué sucede si este colapso gravitatorio es lo suficientemente intenso como para incluso romper estos neutrones.

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

3. Los quarks se romperían en preones

Hipotéticamente, en caso de que el colapso gravitatorio no sea lo suficientemente intenso como para romper la propia materia y dar lugar a una singularidad en el espacio-tiempo (formar un agujero negro) pero sí más fuerte que para el de las estrellas de neutrones promedio, empezarían a suceder cosas asombrosas.

Los neutrones son partículas subatómicas compuestas, lo que significa que están formados por otras partículas subatómicas elementales: los quarks. Y cuando una estrella es muy, muy, muy masiva pero no lo suficiente como para que el colapso gravitatorio culmine en un agujero negro, hasta estos neutrones pueden romperse en sus partículas elementales.

Cada neutrón está formado por tres quarks, que son partículas “sub-subatómicas” 2.000 veces más pequeñas que estos neutrones y están unidos entre sí por unas fuerzas tan fuertes (valga la redundancia) que su unión solo podría romperse debido al colapso gravitatorio de estrellas increíblemente masivas.

Llegados a este punto, los neutrones se rompen y los quarks que los constituían se liberan. Y ya no solo es que hayamos aprovechado el 100% del volumen del átomo (antes de romper los átomos en neutrones solo aprovechábamos el 0,00000001%), sino que las propias distancias dentro del neutrón que separaban a los quarks también desaparecen.

En este momento, dejamos de tener una “papilla” de neutrones y pasamos a tener una “papilla” de quarks. Se ha formado una estrella de quarks, que tiene una densidad incluso más alta. Estas estrellas de quarks tendrían un diámetro de solo 1 km. Y su núcleo, donde se alcanzarían (no olvidemos que a partir de aquí todo es hipotético) temperaturas de 8.000 millones de °C, tendría el tamaño de una manzana pero una masa de dos Tierras. Increíble.

Y es precisamente esta situación en el núcleo lo que provocaría que la estrella siguiera colapsando sobre sí misma. Llegados a este punto, los quarks se convierten en leptones, otro tipo de partícula subatómica. Y esta “papilla” de quarks y leptones sería, en teoría, la materia más densa del Universo.

¿O no? Los quarks y los leptones son partículas subatómicas increíblemente pequeñas, pero no dejan de ser fermiones. Es decir, son partículas que no pueden ocupar el mismo espacio en el mismo tiempo que otras partículas. ¿Y si estos quarks y leptones estuvieran formadas por partículas cuánticas que no siguieran este principio de exclusión?

Pues llegaríamos a esta estrella de preones. Los preones serían hipotéticas partículas “sub-sub-subatómicas” que constituirían el nivel de organización más elemental de estos quarks y leptones y que podrían solaparse entre ellas. Es decir, un preón podría ocupar el mismo espacio en el mismo tiempo que otro preón. No, no tiene lógica. Pero es que no hay lógica en el mundo cuántico. Lo importante es que esto sería perfectamente posible.

4. Formación de una estrella de preones

En el momento en el que los quarks y los leptones se rompieran en preones, se formaría un cuerpo celeste increíblemente denso: la estrella de preones. Y ya no solo es que hayamos aprovechado el 100% del volumen del átomo y que hayamos roto los neutrones en sus partículas elementales, sino que tenemos un objeto cuyas partículas pueden ocupar un mismo espacio en el mismo tiempo que otras.

No es de extrañar, pues, que se crea que estas estrellas de preones, en caso de existir, podrían ser 47 millones de veces más densas que las estrellas de neutrones. Estas estrellas de preones serían justo el paso previo a la formación de una singularidad. El colapso gravitatorio ha sido casi tan intenso como para formar un agujero negro, pero se ha quedado justo a las puertas.

Estos preones tendrían un tamaño del orden de 2 zeptómetros (la miltrillonésima parte de un metro) y podrían solaparse entre ellos, lo que daría lugar al cuerpo celeste más increíblemente denso del Universo. El Sol en una pelota de golf.