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Simulaciones de dinámica de fluidos que podrían desvelar los secretos de la materia nuclear densa

Científicos financiados con fondos europeos están arrojando luz sobre los interiores extremos de los objetos más densos y más extraños del espacio: estrellas de neutrones que se aproximan entre sí girando en espiral.

Investigación fundamental
Espacio

Dentro de una estrella de neutrones, la gravedad comprime la materia y obtiene unas densidades superiores a las habituales en los núcleos atómicos, creando así un terreno fértil para probar la nueva física más allá del Modelo Estándar. Unas densidades tan extremas no se pueden medir de forma experimental. Por tanto, cuando el universo se ofreció a ayudar, los astrónomos aprovecharon la oportunidad y, en 2017, la colaboración entre el Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) y Virgo captó ondas gravitacionales del inspiral de una estrella de neutrones binaria situada a 140 millones de años luz de la Tierra.

Deformación por mareas en las superficies de las estrellas de neutrones

Según las dos estrellas de neutrones orbitan una alrededor de otra emitiendo energía en forma de ondas gravitacionales, también provocan un aumento de las distorsiones por mareas en la otra. Dejan una huella distintiva en las ondas gravitacionales emitidas y, de este modo, revelan información excepcional sobre el exótico interior de las estrellas de neutrones. Mediante una ecuación de estado (EE), los astrónomos pueden describir matemáticamente cómo reacciona la estructura interna de una estrella de neutrones a los cambios en la densidad y la presión. «Las estrellas de neutrones binarias son colisionadores a escala astrofísica que permiten a los astrónomos comprobar fenómenos físicos imposibles de reproducir en colisionadores de partículas terrestres y, en particular, fuerzas nucleares potentes que se rigen por la cromodinámica cuántica», comenta Ulrich Sperhake, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos ACFD. Esta teoría determina la EE en el interior de las estrellas de neutrones, donde la densidad de la materia puede ser hasta diez veces mayor que en la materia nuclear ordinaria. Una EE rígida, en que la presión aumenta rápidamente con la densidad, da lugar a estrellas con grandes radios y efectos por mareas sobre la forma de onda del inspiral. Además, las estrellas extremadamente deformables giran más rápidamente en círculos hacia su perdición mutua. «Medir con una precisión elevada la deformación causada en las estrellas de neutrones por la fuerza de las mareas nos permitiría delimitar estrictamente la EE y aprovechar el potencial de LIGO para realizar grandes descubrimientos en relación con una materia extremadamente densa», explica el doctor Charalampos Markakis. El equipo del proyecto realizó simulaciones numéricas para estimar los parámetros de la EE para estrellas de neutrones a partir de observaciones de las ondas gravitacionales. Confirmaron que las transiciones de fase (por ejemplo, la disolución de neutrones en quarks extraños) en el núcleo conducen a una EE considerablemente más suave. «Medir los efectos por las mareas en diferentes inspirales de estrellas de neutrones con observatorios de ondas gravitacionales de segunda y tercera generación nos permitirá medir su EE», añade Markakis.

Teoremas matemáticos que dejan su huella sobre las ondas gravitacionales

Mediante el teorema de circulación de Kelvin y el tercer teorema de Helmholtz derivado de él, los científicos han comprobado en más detalle cómo se comporta la materia a densidades extremas. Demostraron que ambos teoremas se cumplen durante una inspiral de estrella de neutrones binaria. Un nuevo sistema que atenúa las limitaciones, basado en la dinámica de fluidos hamiltoniana, puede mantener estas leyes durante simulaciones en un superordenador. También señalaron que el hamiltoniano es prácticamente constante para binarias en órbitas circulares. Esto podría facilitar a los físicos la obtención de modelos de ondas gravitacionales altamente precisos. «Es maravilloso que los teoremas matemáticos que caracterizan los flujos altamente relativísticos de estrellas de neutrones en un espacio-tiempo curvo queden impresos en las ondas gravitacionales que detectamos aquí en la Tierra, aunque se encuentren a 140 millones de años luz», destaca Markakis.

Un poco más cerca de la solución de un problema pendiente

ACFD encontró una solución prometedora para el inveterado problema de las ecuaciones de Euler-Einstein, que se descomponen en la interfaz entre los fluidos (materia densa) y el vacío. En términos matemáticos, esta descomposición provoca la pérdida de la convergencia de operaciones punto a punto en simulaciones de inspirales de estrellas de neutrones binarias. La investigación del proyecto se propuso explorar matemática y computacionalmente cómo funciona la naturaleza a escalas a las que se descompone la comprensión actual. Las simulaciones de dinámica de fluidos pueden desvelar más información sobre el huidizo estado de la materia en los núcleos de estrellas de neutrones.

Palabras clave

ACFD, ondas gravitacionales, ecuación de estado (EE), estrellas de neutrones binarias, inspiral, dinámica de fluidos, materia densa, teorema de circulación de Kelvin

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