Investigadores de la Universidade de Lisboa, la Universitat de València y la Universidade de Aveiro han realizado recientemente un fascinante estudio que explora la dinámica de las estrellas bosónicas girando, que son estrellas formadas por cúmulos de bosones ultra-ligeros. Su artículo, publicado a Physical Review Letters, proporciona una valiosa visión de la dinámica de diferentes tipos de estrellas bosónicas en rotación.
A pesar de que los investigadores han sido estudiando la materia oscura e intentando observarla, su natura es un misterio científico de larga duración. El modelo cosmológico estándar sugiere que aproximadamente una cuarta parte de la energía y materia cosmológicas es casi inmune a las interacciones electromagnéticas, de forma que la única manera de observarla es estudiar sus efectos gravitatorios. Aun así, el tipo de partículas que forman la materia oscura no deja de ser un tema de debate.
Una teoría que ha recibido una atención considerable durante la década pasada hace una hipótesis que la materia oscura está al menos parcialmente formada por partículas ultra-ligeras (es decir, mucho más ligeras que los electrones, por ejemplo). Estas partículas difieren de las partículas ordinarias de varias maneras. Así los electrones, protones o neutrones, que constituyen todos los elementos de la tabla periódica, son fermiones. Como resultado, las partículas tienen un espín medio entero, que es igual a un medio.
Las partículas ultra-ligeras propuestas como candidatas a materia oscura se conocen como bosones. Los bosones tienen un espín entero, cosa que significa que puede ser, por ejemplo, cero o uno. La diferencia clave entre fermiones y bosones es que los fermiones siguen el llamado principio de exclusión de Pauli, que establece que dos fermiones iguales no pueden estar en el mismo lugar, puesto que se repel·len. Por otro lado, los bosones pueden agruparse los unos sobre los otros, a veces incluso formando objetos macroscópicos formados por un número astronómico de bosones iguales.
Investigadores de la Universidade de Lisboa, la Universitat de València y la Universidade de Aveiro han realizado recientemente un fascinante estudio que explora la dinámica de las estrellas bosónicas girando, que son estrellas formadas por cúmulos de bosones ultra-ligeros. Su artículo, publicado a Physical Review Letters, proporciona una valiosa visión de la dinámica de diferentes tipos de estrellas bosónicas en rotación.
"Si los bosones son ultra-ligeros, pueden formar objetos con la masa de una estrella como el Sol o incluso más masivos", han dicho los investigadores a Phys.org por correo electrónico. "Estas estrellas, llamadas estrellas bosónicas, pueden estar dispersas por el universo, constituyendo parte (o toda) de materia oscura. La pregunta es si estas estrellas son estables."
Estudios anteriores han demostrado que cuando las estrellas no giran, son estables. Sin embargo, como que el Sol y todas las estrellas y planetas conocidos de nuestra galaxia giran alrededor de su eje, también se espera que las otras estrellas lo hagan.
"La pregunta persistente era si las estrellas bosónicas en rotación son estables", han dicho los investigadores. "Nuestro artículo responde a esta pregunta y la respuesta es más rica del previsto".
En general, las estrellas bosónicas pueden ser muy compactas, cosa que quiere decir que su masa se encuentra dentro de un espacio reducido. A causa de esta calidad particular, estas estrellas se describen mejor utilizando la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein en lugar de la gravedad newtoniana.
En su estudio, los investigadores de la Universidade de Lisboa, la Universitat de València y la Universidade de Aveiro realizaron una serie de simulaciones de relatividad numérica mediante una plataforma libre llamada Einstein Toolkit. Con estas simulaciones resolvieron numéricamente las ecuaciones de la relatividad general, que describen el comportamiento de la gravedad, así como las correspondientes ecuaciones de evolución de la materia que compone estrellas bosónicas.
"La realización de evoluciones numéricas requiere datos iniciales correctos que describen como se encuentran los campos gravitatorios y de materia en algún momento inicial", han explicar los investigadores. "Así hemos considerado dos escenarios. En el primer escenario, una gran nube de la materia bosónica correspondiente está a punto de colapsarse para formar (potencialmente) una estrella en rotación. En el segundo escenario, empezamos con una estrella en equilibrio para determinar si es robusta contra las perturbaciones o, en cambio, si es inestable ".
Las estrellas bosónicas que giran pueden tener diferentes morfologías. Si la partícula de la cual están hechas tiene un espín igual a cero, se denominan estrellas escalares. Por otro lado, si esta partícula tiene un giro igual a uno, se conocen como estrellas vectoriales.
La teoría de la relatividad general de Einstein describe las estrellas bosónicas cuando son compactas y prevé que las estrellas escalares en rotación tienen una forma similar a un donut (es decir, un torus). La misma teoría predice que las estrellas vectoriales tienen una forma más común para las estrellas que giran, más o menos esféricas, pero ligeramente aplanadas a los polos (es decir, esferoidales), como la del planeta Tierra.
Curiosamente, las simulaciones y análisis numéricos realizados por los investigadores demuestran que cuando las estrellas toroidales son ligeramente alteradas, acaban a trozos. Algunas de estas piezas se alejan después, cogiendo el impulso angular de la estrella.
"El resultado final es una fisión total de la estrella original, o en algunos casos, la relajación de la estrella original en una estrella más ligera, no rotativa, o, en otros casos, el colapso completo de la estrella en un agujero negro. ", han dicho los investigadores. "En el caso de las estrellas esferoidales, en cambio, son robustas para perturbaciones, como las estrellas normales conocidas al universo".
Los investigadores han hecho hallazgos interesantes que podrían dar luz a la dinámica de las estrellas bosónicas. Quizás todavía más notablemente, el estudio sugiere que la detección de estrellas giratorias de materia oscuridad ultra-ligera podría ayudar a comprender mejor la natura de las partículas que forman la materia oscura, en particular su espín. En el futuro, los investigadores tienen previsto realizar más investigaciones centradas en la inestabilidad de estrellas bosónicas escalares en rotación, considerando un tipo más complejo de partícula que puede interactuar con ella misma.
"Estas autointeraccions son sugeridas por algunos modelos de materia oscura y física de alta energía", han explicado los investigadores. "La cuestión que nos interesa explorar es: pueden hacer paliar la inestabilidad? Además, querríamos valorar si la inestabilidad está intrínsecamente relacionada con la morfología. Es decir, si las estrellas toroides son siempre inestables. analizando algunos modelos más complicados de estrellas vectoriales en rotación que pueden tomar la forma toroidal para probar si también son inestables ".
Más información: N. Sanchis-Gual et al. Nonlinear Dynamics of Spinning Bosonic Stars: Formation and Stability, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.221101
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