¿Qué tamaño de estrella de neutrones se necesitaría para formar una estrella de quark dentro de ella?

Una estrella de quark puede o no ser posible, como dice la página de wikipedia a la que hace referencia, son "hipotéticos".

A medida que aumenta la masa de una estrella de neutrones, en términos generales, se vuelve más pequeña y aumenta la densidad central.

Los quarks están "confinados" dentro de los nucleones por una fuerte fuerza que aumenta con la separación de los quarks. Sin embargo, en separaciones muy pequeñas puede ser que los quarks alcancen una libertad asintótica en la que puedan, en primer lugar, ser tratados como fermiones que no interactúan.

A densidades de$\sim 5-10\rho_{0}$(dónde$\rho_0 = 2.7\times 10^{17}$kg/m2$^3$es la densidad de la materia nuclear normal) es posible que los nucleones se disuelvan en un plasma de quarks-gluones, que contiene los tres quarks más ligeros, u,d,s. Entonces habrá un equilibrio de fuerza débil entre las especies, lo que dará como resultado poblaciones iguales de cada una. Dado que se cree que las energías de masa en reposo de los quarks son$2-150$MeV/, serán extremadamente relativistas a estas densidades, con una presión que se acerca a$\rho c^{2}/3$. Esta es una ecuación de estado suave que no podría soportar la estrella de neutrones suprayacente (o, de hecho, una estrella hecha completamente de materia de quarks). Sin embargo, es inconcebible que no haya interacciones de fuerza fuerte entre los quarks (¿o por qué los núcleos tendrían el tamaño que tienen?) y estas pueden endurecer la ecuación de estado lo suficiente como para formar un objeto estable con un núcleo de materia de quarks.

Como hay cantidades iguales de quarks u, d, s, a veces se las llama estrellas extrañas o se las describe como hechas de materia extraña . Sin embargo, estos términos generalmente se reservan para estrellas que están hechas completamente de dicho material, que es algo completamente más exótico.

Se desconoce si tales objetos existen y, por lo tanto, es muy difícil responder a su pregunta. Puede ser que la materia de los quarks sea solo un estado efímero en camino al colapso en un agujero negro y que no existan estrellas de quarks en equilibrio. Una posible vía de exploración es que las estrellas de neutrones con un núcleo de materia de quarks deberían enfriarse más rápidamente que la materia de neutrones "normal", porque el proceso directo de enfriamiento de neutrinos URCA es factible. Sería interesante ver si las estrellas de neutrones de diferentes masas siguen pistas de enfriamiento radicalmente diferentes, pero esas medidas aún no están disponibles.

Como sugiere @RobJeffries, "Puede ser que la materia de los quarks sea solo un estado efímero en camino al colapso de un agujero negro y que no existan estrellas de quarks en equilibrio". Pero si hay estrellas de quarks estables, el mecanismo de estabilidad que produce las estrellas de neutrones puede ofrecer algunas pistas teóricas para buscar. Las estrellas de neutrones son estables debido a un fenómeno llamado saturación de materia nuclear. Es decir, a medida que se agregan más y más nucleones a un núcleo grande, la densidad central y la energía de enlace promedio por nucleón se aproximan a valores constantes (descontando por el momento las fuerzas de coulomb repulsivas entre protones que en realidad conducen a la unión máxima en la región de hierro del núcleo periódico). mesa).

Antes del desarrollo de QCD, se lograba una comprensión de la saturación de la materia nuclear a través de un modelo de núcleos de campo medio relativista (ver 1972 Phys. Rev. C 5 241) que a veces se denomina$\sigma$/$\omega$modelo. Este modelo dio como resultado un potencial de nucleón único de campo medio autoconsistente (o Hartree) que era un equilibrio cercano entre un potencial escalar atractivo y un potencial de vector repulsivo (componente similar al tiempo) para una ecuación de nucleón único de Dirac. Para los núcleos normales, la atracción es ligeramente mayor que la repulsión, lo que lleva a los estados ligados. Ambos potenciales se obtuvieron plegando las respectivas densidades de nucleones (tanto escalares como vectoriales) con las interacciones de Yukawa para el escalar$\sigma$y vectores$\omega$intercambios de mesones.

Ahora, la densidad del vector es la densidad de probabilidad, por lo que permanece normalizada en 1 para un solo nucleón. La densidad escalar, por otro lado, no tiene una normalización establecida y su integral tiende a disminuir a medida que la densidad vectorial se limita a una región cada vez más pequeña. Eso significa que una presión externa (como la que la gravedad ejercería sobre la materia de la estrella de neutrones cuando aplasta la estrella) se encontraría con una mayor repulsión debido al intercambio de mesones vectoriales (comenzando a dominar sobre el atractivo intercambio de mesones escalares). Esto haría que el colapso de una supernova se detuviera si la estrella de neutrones resultante no fuera lo suficientemente masiva como para permitir que la gravedad ganara y produjera un agujero negro.

Si existen estrellas estables de materia de quarks, es probable que se deba mantener un mecanismo análogo. No soy un experto en QCD, pero cualitativamente significaría que después de que los límites de los nucleones comienzan a romperse y los quarks comienzan a entremezclarse en cantidades superiores a 3 (bajo la presión de la gravedad), el aumento inicial en la densidad de los quarks tendría que detenerse como entraron en juego fuerzas QCD aún más repulsivas. Los quarks ya son altamente relativistas en este régimen (mucho más que los nucleones en el$\sigma$/$\omega$modelo, por lo que esto es bastante posible, pero si realmente ocurre es una incógnita en este momento.

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Extracto de Quark Stars

Vuorinen unió fuerzas con Aleksi Kurkela en ETH Zurich en Suiza y Paul Romatschke en la Universidad de Washington en Seattle para examinar cómo la presión de la extraña materia de quarks depende de su densidad, una relación descrita por la "ecuación de estado" de la estrella. Los físicos han analizado esto antes, pero solo utilizando modelos muy simplificados de interacciones de quarks. En cambio, el grupo de Vuorinen ha empleado la teoría de la perturbación, una técnica que aproxima las soluciones matemáticas paso a paso, que en general es mucho más precisa.

El resultado puede sorprender a otros físicos. El pensamiento actual dice que las estrellas de quarks deberían ser más pequeñas que las estrellas de neutrones y, de hecho, que las estrellas compactas por encima de cierto tamaño, generalmente alrededor del doble de la masa de nuestro Sol, o dos masas solares, deben ser estrellas de neutrones puras sin núcleo de quarks. Sin embargo, el grupo de Vuorinen concluye casi lo contrario: que las estrellas de quarks más grandes pueden ser más grandes que las estrellas de neutrones, quizás hasta 2,5 masas solares. En otras palabras, como señala Vuorinen, la detección de una estrella compacta con una masa cercana a ese límite sería un "fuerte indicio" de una estrella de quarks.

Fuente de la imagen: Quark Stars