¿Provocó la la materia oscura la formación de estrellas extrañas?

La energía que se necesita para convertir una estrella de neutrones en aquello a lo que se le llama estrella extraña, puede provenir de la aniquilación de partículas de materia oscura

Esta es la conclusión de un nuevo estudio de físicos de España, Reino Unido y Estados Unidos, que proponen que este mecanismo de conversión puede ser una buena manera de fijar un límite inferior a la masa de las partículas masivas de interacción débil (WIMPs), uno de los principales candidato a ser la materia oscura.

Una vez que su combustible nuclear se ha consumido, las estrellas por debajo de cierta masa colapsan y forman estrellas de neutrones. Estos objetos increíblemente densos consisten casi exclusivamente de neutrones, pues el colapso gravitatorio ha forzado la fusión de los protones y electrones. Sin embargo, se ha propuesto que, existiendo alguna fuente externa de energía adicional, las estrellas de neutrones se pueden convertir en estrellas extrañas, objetos formadas de materia extraña: una sopa de quarks arriba, abajo y extraños no consolidados.

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, naturalmente, en quarks extraños, produciendo una región de materia extraña conocida como strangelet. Si, como ha planteado la hipótesis, 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 libera entonces más quarks arriba y abajo, lo que lleva a la creación de más strangelets.

El resultado es un proceso en cadena capaz de convertir toda una estrella de neutrones en materia extraña en un segundo o menos. “La estrella de neutrones es metaestable, como una persona en un borde de una montaña”, explica Joseph Silk de la Universidad de Oxford, quien estuvo implicado en el trabajo. “De la misma forma que un pequeño empujón puede mover a la persona del borde y enviarla montaña 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, aunque ultrabrillantes, que nos llegan del cosmos, sugiere la existencia de estrellas extrañas. Los investigadores han propuesto que la enorme energía que se necesita para producir el estallido 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 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 primero de los mecanismos requiere que la estrella de neutrones posea una masa mínima, y que el otro mecanismo es problemático porque, dice, sería poco probable volcar energía hacia el centro de la estrella, donde se debe iniciar la reacción en cadena.

En cambio Silk, Angeles 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 confirmara, este mecanismo aportaría un límite inferior nuevo, e independiente, para la masa de una WIMP. Ésta es de aproximadamente 4 GeV (gigaelectronvoltios), la mitad de la energía mínima que ha calculado el trío necesaria para iniciar la conversión de la estrella de neutrones de esta manera (con cada WIMP aportando la mitad de masa-energía en cada colisión).

Una nueva manera de encontrar WIMPs

Siendo los buscadores terrestres de materia oscura capaces de llegar hasta los 50 GeV, Silk dice que este nuevo planteo podría proporcionar un complemento útil a los experimentos actuales. Señala que la teoría no favorece a una masa para la WIMP 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 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 cerca de Ginebra.

Paolo Gondolo de la Universidad de Utah en los EEUU 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 da 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”, dice.

El trabajo se describe en Phys. Rev. Lett. 105 141101.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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