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06:00 hrs. Julio 27 de 2003

Boletí­n UNAM-DGCS-577

Ciudad Universitaria

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DESARROLLA CIENTFICO UNIVERSITARIO MÉTODO PARA DETECTAR ESTRELLAS DE QUARKS

í‚· El doctor Dany Page, del Instituto de Astronomí­a, quien trabaja en colaboración con Vladimir Usov, del Instituto Weizmann de Israel, asegura que se trata de objetos compactos millones de veces más luminosos que cualquier otro

í‚· Al comprobar su existencia mediante la detección de radiaciones de alta energí­a (rayos gamma y X), se conocerí­a un nuevo estado de la materia que se sumarí­a al sólido, lí­quido, gaseoso y plasma.

Dany Page, investigador del Instituto de Astronomí­a de la UNAM, desarrolló un modelo teórico completo sobre el comportamiento de las estrellas de quarks –que incluyen el transporte de calor, la evolución de la temperatura y la luminosidad en su superficie en función del tiempo–, que es en sí­ mismo, un método infalible para detectarlas.

El trabajo, realizado en colaboración con el cientí­fico Vladimir Usov, del Departamento de Fí­sica de la Materia Condensada del Instituto Weizmann de Ciencias, de Israel, establece que son objetos compactos millones de veces más luminosos que cualquier otro, y que podrí­an permanecer así­ hasta durante cientos o miles de años. Tal emisión de rayos gamma constituye una señal única de ese tipo de estrellas.

El doctor Page señaló que los quarks son, hasta ahora, las partí­culas o constituyentes de la materia más fundamentales que conocemos. Son de seis tipos: el up y el down ("superior" e "inferior", que en trí­os forman a los neutrones y protones), el strange ("extraño"), el charm ("encanto"), el bottom ("fondo") y el top ("cima", descubierto hace poco).

Se diferencian unos de otros por la masa: los dos primeros son los más ligeros, por ejemplo; también varí­a su carga eléctrica, tres son positivos y tres negativos. Nunca están solos debido a una fuerza llamada de "color" (uno de los cuatro tipos de interacciones en la naturaleza, junto con las fuerzas débil, electromagnética y de gravedad), que los mantiene unidos en trí­os dentro de neutrones y protones, indicó el especialista.

Pero, ¿qué son las estrellas de quarks?, ¿en qué momento se separan tales partí­culas fundamentales? Dany Page precisó que para producir esos objetos celestes la densidad de la materia, que en el inicio está formada por protones y neutrones, que son como burbujas en el vací­o que, a su vez, contienen tres quarks cada una, debe aumentar hasta el punto en que dichas burbujas no sólo se toquen, sino que se superpongan.

Una estrella de ese tipo es "alternativa" a otra formada de neutrones, cuya corteza es sólida y su interior superfluido. Éstas nacen, a su vez, de otras, 10 o 20 veces más masivas que nuestro Sol y que durante su existencia producen reacciones nucleares internas que propician la creación de elementos cada vez más pesados.

Por ejemplo, a partir del hidrógeno se crea el helio –proceso que está actualmente ocurriendo en el interior de nuestro “astro rey”, por ejemploí‚­–, y con base en éste, el carbono y así­ en sucesión hasta obtener oxí­geno, neón, magnesio, silicio y hierro. Entonces, el núcleo de la estrella formado por éste último elemento, crece hasta que su masa alcanza 1.4 veces la del Sol.

En este punto, el núcleo de hierro de la estrella mide entre dos mil y tres mil kilómetros de diámetro (más pequeño que la Tierra), pero alcanza una densidad de mil toneladas por centí­metro cúbico y la enorme fuerza de gravedad resultante vence a la presión de la materia produciendo un colapso del mismo.

En una fracción de segundo, el núcleo se reduce a una bola de unos pocos kilómetros; la densidad aumenta hasta que los neutrones y protones que forman esta materia se tocan directamente, añadió el cientí­fico universitario.

Esto marca el fin del colapso y, en menos de un minuto, la mayorí­a de los protones se transforma en neutrones. “Así­ nace una estrella de neutrones”, precisó.

El resto de la estrella progenitora es expulsado mediante una explosión –cuyo mecanismo todaví­a no se entiende bien–, conocida como supernova.

La densidad de una estrella de neutrones es tal que todos los edificios de la ciudad de México cabrí­an en el fondo de una cuchara. Si ella aumenta aún mas, los protones y neutrones se disuelven, y los quarks se liberan para formar un nuevo estado de la materia.

Ambos tipos de estrellas –las de neutrones y quarks– son parecidas y es difí­cil diferenciarlas, porque se forman de la misma manera, aseguró Dany Page. Entre los pocos parámetros que las hacen diversas está el tamaño: la de quarks –de 6 a 8 kilómetros de radio– es más pequeña que la de neutrones –alrededor de 12 kilómetros– porque es más densa. Aunque este modo de distinguirlas parece no ser totalmente confiable.

Respecto a las más pequeñas, existen dos opciones: que los quarks se queden en el núcleo estelar, formando la parte más densa, o que la materia formada por estas partí­culas se "coma" al resto de la estrella.

En el modelo propuesto por el universitario y Vladimir Usov, se consideró que esas partí­culas no quedan confinadas en el núcleo, sino que alcanzan la superficie. Al estar desprovistas de una capa exterior de materia normal que pudiera confundirlas con una estrella de neutrones, como un disfraz, las de quarks también son llamadas "desnudas".

Cuando nace una de estas es tan caliente como 1011grados Kelvin, temperatura que evaporarí­a toda la materia normal de la superficie, con excepción de los electrones, y por esto se considera que debe ser “desnuda”.

El campo eléctrico resultante –continuó- crearí­a una plasma de electrones y positrones alrededor de la estrella, que producirí­a rayos gamma con energí­as de 30 a 500 kilo electrón voltios (un keV es igual a mil electrovoltios) y una luminosidad millones de veces superior a la del Sol.

"Ningún otro objeto conocido producirí­a radiación tan intensa; si se ve una de ellas, no hay manera de equivocarse", reiteró el cientí­fico.

Sólo podrí­a ser superada por los gamma ray bursts o estallidos de rayos gamma, los eventos más violentos conocidos en el universo, pero éstos sólo duran unos segundos, en tanto que la radiación de alta energí­a emitida por las estrellas de quarks puede perdurar quizá, hasta miles de años, debido a que el único mecanismo que tiene para enfriarse es mediante radiación de la superficie.

¿Qué tan común debe ser este tipo de objeto? Tanto como las explosiones de supernovas, de dos a cuatro por siglo en la Ví­a Láctea –la última observación se registró el 23 de febrero de 1987–, que forman estrellas de neutrones, si es que éstas alcanzan la densidad crí­tica para producir quarks. En tal caso serí­an muy comunes: varios cientos de millones en nuestra Galaxia.

Pero si la densidad de una estrella de neutrones recién nacida no alcanza la densidad crí­tica, hay otro mecanismo que permite aumentarla hasta convertirla en una de quarks: que forme, junto con otra, un sistema binario. “Si tiene una compañera cercana puede comenzar a absorber su materia por medio de la fuerza de gravedad (o acretar), proceso que podrí­a durar cientos de millones de años. Poco a poco aumenta su masa, y por lo tanto su densidad, y algún dí­a puede transformarse en estrella de quarks”. Se conocen alrededor de 250 de estos sistemas: en este caso las estrellas de quarks serí­an pocas.

Hasta hoy, precisó Dany Page, no se han visto estrellas de quarks. En abril del 2002, cientí­ficos estadounidenses anunciaron haber medido el tamaño de la estrella RXJ 1856.5-3754, y se creyó que, por sus medidas reducidas, sólo estaba formada por esas partí­culas. Sin embargo, hubo muchas crí­ticas y resultó que la interpretación de los datos no fue convincente; el tamaño no es un factor determinante para distinguirlas.

En el espacio, el satélite INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) de la Agencia Espacial Europea, lanzado a finales del año pasado, es capaz de detectar rayos gamma y X de muy alta energí­a como los que emite una estrella de quarks hasta, incluso, el Cúmulo de Virgo, a 48 millones de años luz de distancia. “Crucemos los dedos para descubrir una de estas”, señala Page.

Con ayuda del método de Page y Usov, dado a conocer en Physical Review Letters el 23 de septiembre de 2002, y en comunicado de prensa de la American Physical Society, Physical Review Focus (http://focus.aps.org/story/v10/st13), con seguridad será más sencillo.