Investigadors de la Universidade de Lisboa, la Universitat de València i la Universidade de Aveiro han realitzat recentment un fascinant estudi que explora la dinàmica de les estrelles bosòniques girant, que són estrelles formades per cúmuls de bosons ultra-lleugers. El seu article, publicat a Physical Review Letters, proporciona una valuosa visió de la dinàmica de diferents tipus d’estrelles bosòniques en rotació.
Tot i que els investigadors han estat estudiant la matèria fosca i intentant observar-la, la seua natura és un misteri científic de llarga durada. El model cosmològic estàndard suggereix que aproximadament una quarta part de l’energia i matèria cosmològiques és gairebé immune a les interaccions electromagnètiques, de manera que l’única manera d’observar-la és estudiar els seus efectes gravitatoris. Tot i això, el tipus de partícules que formen la matèria fosca no deixa de ser un tema de debat.
Una teoria que ha rebut una atenció considerable durant la dècada passada fa una hipòtesi que la matèria fosca està almenys parcialment formada per partícules ultra-lleugeres (és a dir, molt més lleugeres que els electrons, per exemple). Aquestes partícules difereixen de les partícules ordinàries de diverses maneres. Així els electrons, protons o neutrons, que constitueixen tots els elements de la taula periòdica, són fermions. Com a resultat, les partícules tenen un spin mig enter, que és igual a un mig.
Les partícules ultra-lleugeres proposades com a candidates a matèria fosca es coneixen com a bosons. Els bosons tenen un spin enter, cosa que significa que pot ser, per exemple, zero o u. La diferència clau entre fermions i bosons és que els fermions segueixen l'anomenat principi d'exclusió de Pauli, que estableix que dos fermions iguals no poden estar al mateix lloc, ja que es repel·len. D'altra banda, els bosons poden agrupar-se els uns sobre els altres, de vegades fins i tot formant objectes macroscòpics formats per un nombre astronòmic de bosons iguals.
Investigadors de la Universidade de Lisboa, la Universitat de València i la Universidade de Aveiro han realitzat recentment un fascinant estudi que explora la dinàmica de les estrelles bosòniques girant, que són estrelles formades per cúmuls de bosons ultra-lleugers. El seu article, publicat a Physical Review Letters, proporciona una valuosa visió de la dinàmica de diferents tipus d’estrelles bosòniques en rotació.
"Si els bosons són ultra-lleugers, poden formar objectes amb la massa d'una estrella com el Sol o fins i tot més massius", han dit els investigadors a Phys.org per correu electrònic. "Aquestes estrelles, anomenades estrelles bosòniques, poden estar disperses per l'univers, constituint part (o tota) de matèria fosca. La pregunta és si aquestes estrelles són estables."
Estudis anteriors han demostrat que quan les estrelles no giren, són estables. No obstant això, com que el Sol i totes les estrelles i planetes coneguts de la nostra galàxia giren al voltant del seu eix, també s'espera que les altres estrelles ho facen.
"La pregunta persistent era si les estrelles bosòniques en rotació són estables", han dit els investigadors. "El nostre article respon a aquesta pregunta i la resposta és més rica del previst".
En general, les estrelles bosòniques poden ser molt compactes, cosa que vol dir que la seua massa es troba dins d’un espai reduït. A causa d'aquesta qualitat particular, aquestes estrelles es descriuen millor utilitzant la Teoria de la Relativitat General d'Albert Einstein en lloc de la gravetat newtoniana.
En el seu estudi, els investigadors de la Universidade de Lisboa, la Universitat de València i la Universidade de Aveiro realitzaren una sèrie de simulacions de relativitat numèrica mitjançant una plataforma lliure anomenada Einstein Toolkit. Amb aquestes simulacions van resoldre numèricament les equacions de la relativitat general, que descriuen el comportament de la gravetat, així com les corresponents equacions d'evolució de la matèria que compon estels bosònics.
"La realització d'evolucions numèriques requereix dades inicials correctes que descriuen com es troben els camps gravitatoris i de matèria en algun moment inicial", han explicar els investigadors. "Així hem considerat dos escenaris. En el primer escenari, un gran núvol de la matèria bosònica corresponent està a punt de col·lapsar-se per formar (potencialment) una estrella en rotació. En el segon escenari, comencem amb una estrella en equilibri per determinar si és robusta contra les pertorbacions o, en canvi, si és inestable ".
Les estrelles bosòniques que giren poden tindre diferents morfologies. Si la partícula de la qual estan fetes té un spin igual a zero, s’anomenen estrelles escalars. D'altra banda, si aquesta partícula té un gir igual a u, es coneixen com estrelles vectorials.
La teoria de la relativitat general d’Einstein descriu les estrelles bosòniques quan són compactes i preveu que les estrelles escalars en rotació tenen una forma similar a un donut (és a dir, un torus). La mateixa teoria prediu que les estrelles vectorials tenen una forma més comuna per a les estrelles que giren, més o menys esfèriques, però lleugerament aplanades als pols (és a dir, esferoidals), com la del planeta Terra.
Curiosament, les simulacions i anàlisis numèriques realitzades pels investigadors demostren que quan les estrelles toroïdals són lleugerament alterades, acaben a trossos. Algunes d’aquestes peces s’allunyen després, agafant l’impuls angular de l’estrella.
"El resultat final és una fissió total de l'estrella original, o en alguns casos, la relaxació de l'estrella original en una estrella més lleugera, no rotativa, o, en altres casos, el col·lapse complet de l'estrella en un forat negre. ", han dit els investigadors. "En el cas de les estrelles esferoïdals, en canvi, són robustes per a pertorbacions, com les estrelles normals conegudes a l'univers".
Els investigadors han fet troballes interessants que podrien donar llum a la dinàmica de les estrelles bosòniques. Potser encara més notablement, l'estudi suggereix que la detecció d'estrelles giratòries de materia fosca ultra-lleugera podria ajudar a comprendre millor la natura de les partícules que formen la matèria fosca, en particular el seu spin. En el futur, els investigadors tenen previst realitzar més investigacions centrades en la inestabilitat de estrelles bosòniques escalars en rotació, considerant un tipus més complex de partícula que pot interactuar amb ella mateixa.
"Aquestes autointeraccions són suggerides per alguns models de matèria fosca i física d’alta energia", han explicat els investigadors. "La qüestió que ens interessa explorar és: poden fer paliar la inestabilitat? A més, voldríem valorar si la inestabilitat està intrínsecament relacionada amb la morfologia. És a dir, si les estrelles toroides són sempre inestables. analitzant alguns models més complicats d’estels vectorials en rotació que poden prendre la forma toroidal per provar si també són inestables ".
Més informació: N. Sanchis-Gual et al. Nonlinear Dynamics of Spinning Bosonic Stars: Formation and Stability, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.221101
Imatges:
