10 extrañas estrellas teóricas

Los seres humanos han estado fascinados por las estrellas desde la historia temprana. Con la ciencia moderna, sabemos mucho sobre las estrellas, incluidos sus diversos tipos y estructuras. El conocimiento sobre este tema aún se está desarrollando, y los astrofísicos han propuesto una variedad de estrellas teóricas que pueden existir en nuestro universo. Junto a las estrellas teóricas se encuentran objetos parecidos a estrellas, estructuras astronómicas que se ven y se comportan como estrellas pero no tienen las características estándar que atribuimos a las estrellas, principalmente la estructura química y la fuente de energía de fusión. Los objetos en esta lista están a la vanguardia de la investigación física y no se han observado directamente ... todavía.

10 quark star

Una estrella al final de su vida puede colapsar en un agujero negro, una enana blanca o una estrella de neutrones. Si la estrella es suficientemente densa antes de estallar en una supernova, el resto estelar formará una estrella de neutrones. Cuando esto sucede, la estrella se vuelve extremadamente caliente y densa. Con tanta materia y energía, la estrella intenta colapsarse sobre sí misma y formar una singularidad, pero las partículas fermiónicas en el centro (en este caso, los neutrones) obedecen al principio de exclusión de Pauli. Esto significa que los neutrones no pueden comprimirse en el mismo estado cuántico, por lo que se empujan contra la materia que colapsa, alcanzando el equilibrio.

Durante décadas, los astrónomos asumieron que una estrella de neutrones se mantendría en equilibrio. Pero a medida que la teoría cuántica se fue desarrollando, los astrofísicos propusieron un nuevo tipo de estrella que ocurriría cuando la presión degenerativa del núcleo de neutrones fallara. Esto se llama una estrella de quark. A medida que aumenta la presión de la masa estelar, los neutrones se dividen en sus quarks arriba y abajo, que, bajo una presión y energía intensas, podrían existir libremente en lugar de acoplarse para producir hadrones como protones y neutrones. Denominada "materia extraña", esta sopa de quarks sería increíblemente densa, más que una estrella de neutrones normal.

Los astrofísicos aún están debatiendo sobre cómo se formarían exactamente estas estrellas. Algunas teorías afirman que ocurren cuando la masa de una estrella colapsada se encuentra entre la masa necesaria para formar un agujero negro o una estrella de neutrones. Otros investigadores han teorizado mecanismos más exóticos. Una teoría principal es que las estrellas de quark se forman cuando densos paquetes de materia extraña preexistente envueltos en partículas masivas de interacción débil (o WIMP) chocan con una estrella de neutrones, sembrando el núcleo con materia extraña y comenzando la transformación. Si esto ocurre, la estrella de neutrones mantendría una "corteza" del material de la estrella de neutrones, haciéndolo parecer una estrella de neutrones mientras tiene un núcleo de materia extraña. Aunque no se han encontrado estrellas de quarks, muchas de las estrellas de neutrones que se han observado pueden ser secretamente estrellas de quarks.

9 estrella de Electroweak

Si bien la estrella de quarks parece ser la última etapa de la vida de una estrella antes de que se muera y se convierta en un agujero negro, los físicos han propuesto recientemente otra estrella teórica que podría existir entre una estrella de quarks y un agujero negro. Llamada la estrella electrodébil, este tipo teórico sería capaz de mantener el equilibrio debido a las complejas interacciones entre la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética, conocida colectivamente como la fuerza electrodébil.

En una estrella electrodébil, la presión y la energía de la masa de la estrella empujarían hacia abajo el núcleo de materia extraña de la estrella del quark. A medida que la energía se intensifica, las fuerzas electromagnéticas y las fuerzas nucleares débiles se mezclan, y no queda ninguna distinción entre las dos fuerzas. Con este nivel de energía, los quarks en el núcleo se disuelven en leptones, como los electrones y los neutrinos. La mayor parte de la materia extraña se convertiría en neutrinos, y la energía liberada proporcionaría suficiente fuerza externa para detener el colapso estelar.

Los investigadores están interesados ​​en encontrar una estrella electrodébil porque las características del núcleo no serían diferentes a las del universo temprano una billonésima de segundo después del Big Bang. En ese momento en la historia de nuestro universo, no había distinción entre la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Ha resultado difícil formular teorías sobre ese tiempo, por lo que encontrar una estrella electrodébil daría un gran impulso a la investigación cosmológica.

Una estrella electrodébil también sería uno de los objetos más densos del universo. El núcleo de una estrella electrodébil sería del tamaño de una manzana pero contendría la masa de dos Tierras, haciéndola más densa que cualquier estrella observada anteriormente.

8 Objeto de Thorne-Zytkow

En 1977, Kip Thorne y Anna Zytkow publicaron un artículo que detallaba un nuevo tipo de estrella llamada Objeto Thorne-Zytkow (TZO). Un TZO es una estrella híbrida formada por la colisión entre una supergigante roja y una estrella de neutrones pequeña y densa. Dado que una supergigante roja es una estrella extremadamente grande, la estrella de neutrones tardaría cientos de años en romper su atmósfera interna. A medida que continúa enterrándose en la estrella, el centro orbital (llamado baricentro) de las dos estrellas se moverá hacia el centro de la supergigante. Eventualmente, las dos estrellas se fusionarán, causando una gran supernova y eventualmente un agujero negro.

Cuando se observa, el TZO inicialmente parecería un típico supergigante rojo. Sin embargo, el TZO tendría una variedad de propiedades inusuales para un supergigante rojo. No solo su composición química sería ligeramente diferente, sino que la estrella de neutrones excavadora causaría estallidos de ondas de radio desde el interior. Encontrar un TZO es extremadamente difícil debido a lo sutilmente que se diferencia de un supergigante rojo normal. Además, es probable que no se forme una TZO en nuestro vecindario galáctico, sino que esté más cerca del centro de la Vía Láctea, donde las estrellas están más llenas.

Sin embargo, eso no ha impedido a los astrónomos buscar una estrella caníbal, y en 2014, se anunció que el supergigante HV 2112 era una posible TZO.Los investigadores encontraron que HV 2112 tiene una cantidad inusualmente alta de elementos metálicos para un supergigante rojo. La composición química de HV 2112 coincide con lo que Thorne y Zytkow teorizaron en la década de 1970, por lo que los astrónomos lo consideran un fuerte candidato para el primer TZO observado. Se requiere más investigación, pero es emocionante pensar que la humanidad puede haber encontrado su primera estrella caníbal.

7 estrella congelada

Una estrella estándar fusiona el combustible de hidrógeno para crear helio y se sostiene con la presión exterior de este proceso. Sin embargo, el hidrógeno no puede durar para siempre y, finalmente, la estrella debe quemar elementos más pesados. Desafortunadamente, la energía liberada por estos elementos más pesados ​​no es tanto como el hidrógeno, y la estrella comienza a enfriarse. Cuando la estrella finalmente se convierte en supernova, siembra el universo con los elementos metálicos que jugarán un papel en la formación de nuevas estrellas y planetas. A medida que el universo avanza en el tiempo, cada vez más estrellas explotan. Los astrofísicos han demostrado que a medida que el universo envejece, su contenido general de metal aumentará.

En el pasado, las estrellas casi no tenían metal, pero en el futuro, las estrellas tendrán un contenido de metal mucho mayor. A medida que el universo envejece, se formarán nuevos e inusuales tipos de estrellas metálicas, incluida la hipotética estrella congelada. Este tipo de estrella fue propuesto en los años noventa. Con una abundancia de metal en el universo, las estrellas que se están formando necesitarían una temperatura mucho más baja para convertirse en una estrella de secuencia principal. Las estrellas más pequeñas, con 0,04 masas estelares (alrededor de la masa de Júpiter), podrían convertirse en la secuencia principal al mantener la fusión nuclear a solo 0 grados Celsius (32 ° F). Estarían congelados y rodeados de nubes de hielo congelado. En un futuro muy lejano, estas estrellas congeladas reemplazarán a la mayoría de las estrellas regulares en un universo frío y lúgubre.

6 Objeto de la eternidad que colapsa magnéticamente

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No debería sorprender que haya muchas propiedades y paradojas confusas relacionadas con los agujeros negros. Para lidiar con los problemas inherentes a las matemáticas del agujero negro, los teóricos han propuesto una variedad de objetos tipo estrella. En 2003, los científicos propusieron que los agujeros negros no son en realidad singularidades, como se pensaba en general, sino que son un tipo de estrella exótica llamada el objeto eternamente colapsante magnetosférico (MECO). El modelo MECO es un intento de lidiar con el problema teórico de que la materia de un agujero negro colapsado parece estar viajando más rápido que la velocidad de la luz.

Un MECO se forma como un agujero negro normal. La materia es superada por la gravedad y comienza a colapsarse sobre sí misma. Sin embargo, en un MECO, la radiación producida por las partículas subatómicas en colisión crea una presión exterior no muy diferente de la presión causada por la fusión en el núcleo de una estrella. Esto permite que el MECO permanezca relativamente estable. Nunca forma un horizonte de eventos y nunca colapsa completamente. Los agujeros negros eventualmente colapsan sobre sí mismos y se evaporan, pero un MECO tomaría una cantidad infinita de tiempo para colapsar. Así, entra en un estado de colapso eterno.

Las teorías de MECO resuelven muchos problemas de los agujeros negros, incluida la información. Debido a que un MECO nunca se colapsa, no tiene los problemas de destrucción de información como un agujero negro. Por muy emocionantes que sean las teorías de MECO, se han encontrado con mucho escepticismo en la comunidad física. En general, se cree que los quásares son agujeros negros rodeados por un disco de acreción luminoso, por lo que los astrónomos han intentado encontrar un quásar con las cualidades magnéticas precisas de un MECO. Ninguno se ha encontrado de manera concluyente, pero los nuevos telescopios que buscan agujeros negros deberían arrojar más luz sobre la teoría. Por ahora, el MECO es una solución interesante para los problemas de los agujeros negros, pero no un candidato líder.

5 Población III Estrella

Ya hemos hablado de las estrellas congeladas que existen al final del universo, cuando todo se ha vuelto demasiado metálico para que se formen las estrellas calientes. Pero ¿qué pasa con las estrellas en el otro extremo del espectro? Estas estrellas, compuestas del gas primordial que queda del big bang, se llaman estrellas de la Población III. El esquema de población de estrellas fue ideado por Walter Baade en la década de 1940 y describía el contenido de metal de una estrella. Cuanto mayor sea la población, mayor será el contenido de metal. Durante mucho tiempo, solo hubo dos poblaciones de estrellas (denominadas lógicamente Población I y Población II), pero los astrofísicos modernos han iniciado investigaciones serias sobre las estrellas que deben haber existido justo después del Big Bang.

Estas estrellas no tenían elementos más pesados ​​en ellas. Estaban compuestos completamente de hidrógeno y helio, con posibles trazas de litio. Las estrellas de la Población III eran absurdamente brillantes y gigantescas, más grandes que la mayoría de las estrellas actuales. Su núcleo no solo fusionaría elementos normales, sino que también estaría alimentado por reacciones de aniquilación de materia oscura. También fueron extremadamente de corta duración, con una duración de sólo dos millones de años. Finalmente, estas estrellas quemaron todo su combustible de hidrógeno y helio, comenzaron a fusionar su combustible en elementos metálicos más pesados ​​y explotaron, dispersando sus elementos más pesados ​​en todo el universo. Ninguno sobrevivió al universo primitivo.

Si ninguno sobrevivió, ¿por qué nos preocupamos por ellos? Los astrónomos están muy interesados ​​en las estrellas de Población III porque nos permitirán comprender mejor qué sucedió en el Big Bang y cómo evolucionó el universo primitivo. En este intento, la velocidad de la luz es amiga de un astrónomo. Dado el valor constante de la velocidad de la luz, si los astrónomos pueden encontrar estrellas extremadamente distantes, en realidad están mirando hacia atrás en el tiempo. Un equipo de astrónomos del Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio está tratando de ver galaxias más lejos de la Tierra que nunca antes.La luz de estas galaxias sería de unos pocos millones de años después del Big Bang y podría contener la luz de las estrellas de la Población III. El estudio de estas estrellas permitirá a los astrónomos mirar hacia atrás en el tiempo. Más allá de eso, estudiar estrellas de la Población III también nos muestra de dónde venimos. Esas estrellas tempranas son las que sembraron el universo con los elementos que dan vida necesarios para la existencia humana.

4 cuasi-estrella

Para no confundirse con un quásar (un objeto que parece una estrella pero en realidad no lo es), la cuasi estrella es un tipo teórico de estrella que solo pudo haber existido en el universo primitivo. Al igual que el TZO mencionado anteriormente, la cuasi estrella habría sido una estrella caníbal, pero en lugar de tener otra estrella en el centro, tenía un agujero negro. Las cuasi estrellas se habrían formado a partir de estrellas masivas de Población III. Cuando las estrellas normales colapsan, se convierten en supernova y dejan un agujero negro. En una cuasi estrella, la densa capa externa de material nuclear habría absorbido la explosión de energía del colapso del núcleo y se habría mantenido en su lugar sin ir a la supernova. La cáscara externa de la estrella permanecería intacta, mientras que el interior formaría un agujero negro.

Como una estrella moderna basada en la fusión, la cuasi estrella alcanzaría un equilibrio, aunque hubiera sido sostenida por más que la energía de la fusión. La energía emitida desde el núcleo del agujero negro habría proporcionado la presión exterior para resistir el colapso gravitacional. Una cuasi estrella habría sido alimentada por la materia que cae en el agujero negro interno y libera energía. Debido a la liberación masiva de energía, una cuasi estrella hubiera sido extremadamente brillante y unas 7.000 veces más masiva que el Sol.

Eventualmente, sin embargo, una cuasi estrella perdería su capa externa después de alrededor de un millón de años, dejando solo un agujero negro masivo. Los astrofísicos han teorizado que las antiguas cuasi estrellas eran la fuente de los agujeros negros supermasivos en los centros de la mayoría de las galaxias, incluido el nuestro. La Vía Láctea podría haber comenzado como una de estas estrellas antiguas exóticas e inusuales.

3 Preon Star

Los filósofos a través de las edades han discutido sobre cuál es la división más pequeña posible de la materia. Con la observación de protones, neutrones y electrones, los científicos pensaron que habían encontrado la estructura subyacente del universo. Sin embargo, a medida que la ciencia avanzaba, se encontraron partículas cada vez más pequeñas, que han reinventado nuestra concepción de nuestro universo. Hipotéticamente, esto podría durar para siempre, pero algunos teóricos han propuesto el preon como el trozo más pequeño de la naturaleza. Un preón es una partícula puntual, que no tiene dimensión espacial. A menudo, los físicos describirán las partículas como un electrón como una partícula puntual, pero eso es solo un modelo conveniente. Los electrones en realidad tienen dimensión. Teóricamente, un preón no lo hace. Serían la partícula subatómica más básica.

Aunque la investigación de preon no está actualmente de moda, eso no ha impedido a los científicos discutir cómo sería una estrella hecha de preones. Las estrellas de Preon serían extremadamente pequeñas, con un tamaño que oscila entre un guisante y un balón de fútbol. Embalado en esa pequeña área estaría la masa de la Luna. Las estrellas de Preon serían luz según los estándares astronómicos pero mucho más densas que las estrellas de neutrones, el objeto más denso observado.

Estas pequeñas estrellas serían extremadamente difíciles de ver y solo serían visibles al observar lentes gravitacionales y radiación de rayos gamma. Debido a su naturaleza indetectable, algunos teóricos han propuesto estrellas preon como candidatos para la materia oscura. Sin embargo, los investigadores de los aceleradores de partículas se centran en la investigación de las partículas del bosón de Higgs en lugar de buscar preones, por lo que pasará mucho tiempo antes de que se demuestre o desapruebe la existencia del preón y aún más tiempo antes de que encontremos una estrella.

2 Planck Star

Una de las preguntas más interesantes sobre los agujeros negros es cómo son en el interior. Se han publicado innumerables películas, libros y artículos sobre este tema, que van desde lo fantástico hasta lo altamente científico. No hay consenso en la comunidad física. A menudo, el centro de un agujero negro se describe como una singularidad con densidad infinita y sin dimensión espacial, pero ¿qué significa eso realmente? Los teóricos modernos intentan superar esa vaga descripción y descubrir qué está sucediendo en un agujero negro. De todas las teorías, una de las más fascinantes es que el centro de un agujero negro en realidad contiene una estrella llamada estrella de Planck.

La motivación detrás de la propuesta estrella de Planck es resolver la paradoja de la información del agujero negro. Si un agujero negro se considera solo como una singularidad puntual, entonces tiene el desafortunado efecto secundario de que la información se destruye al entrar en el agujero negro, lo que viola las leyes de conservación. Sin embargo, tener una estrella en medio de un agujero negro resuelve este problema y ayuda a resolver los problemas en el horizonte de eventos de un agujero negro.

Como puedes imaginar, una estrella de Planck es una bestia extraña, aunque está respaldada por una fusión nuclear normal. Su nombre proviene del hecho de que la estrella tendría una densidad de energía cercana a la densidad de Planck. La densidad de energía es una medida de la energía contenida en una región del espacio, y la densidad de Planck es un número enorme: 5.15 x 10 kilogramos por metro cúbico. Eso es mucha energía. En teoría, es la cantidad de energía contenida en el universo justo después del Big Bang. Desafortunadamente, nunca podríamos ver una estrella de Planck si residiera dentro de un agujero negro, pero plantea una idea interesante para resolver varias paradojas astronómicas.

1 Fuzzball

A los físicos les encanta inventar nombres divertidos para ideas complejas. "Fuzzball" es el nombre más lindo que se haya dado a una región de espacio mortal que podría asesinarte instantáneamente. La teoría de Fuzzball proviene del intento de describir un agujero negro utilizando las ideas de la teoría de cuerdas.Como tal, un fuzzball no es una verdadera estrella en el sentido de que no es un miasma de plasma incandescente soportado por fusión termonuclear. Más bien, es una región de cuerdas de energía enredadas con el apoyo de su propia energía interna.

Como se mencionó anteriormente, un problema clave con los agujeros negros es descubrir qué hay dentro de ellos. Este problema profundo es tanto un misterio observacional como teórico. Las teorías estándar de los agujeros negros conducen a una variedad de contradicciones. Stephen Hawking demostró que los agujeros negros se evaporan, lo que implica que cualquier información en ellos se pierde para siempre. Los modelos del agujero negro muestran que su superficie es un "firewall" de alta energía que evapora las partículas entrantes. Lo más importante es que las teorías de la mecánica cuántica no funcionan cuando se aplican a una singularidad de agujero negro.

Fuzzballs aborda estas preocupaciones. Para entender qué es un fuzzball, imagina que vivimos en un mundo bidimensional como un pedazo de papel. Si alguien colocara un cilindro en el papel, lo percibiríamos como un círculo bidimensional, aunque el objeto exista en tres dimensiones. Podemos imaginar que existen estructuras dimensionales superiores en nuestro universo; En teoría de cuerdas, estas se llaman branas. Si existiera una brana de dimensión superior, solo la percibiríamos con nuestros sentidos y matemáticas de cuatro dimensiones. Los teóricos de cuerdas han propuesto que lo que llamamos un agujero negro es en realidad nuestra percepción de una estructura de cuerdas de dimensiones más altas que se interseca con nuestro espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Así, un agujero negro no es realmente una singularidad; es solo la intersección de nuestro espacio-tiempo con cadenas de dimensiones superiores. Esta intersección es el fuzzball.

Eso puede parecer esotérico, y aún es muy debatido. Sin embargo, si los agujeros negros son en realidad fuzzballs, resuelve muchas de las paradojas. También tiene características ligeramente diferentes a los agujeros negros. En lugar de una singularidad unidimensional, el fuzzball tiene un volumen definido. Pero aunque tiene un volumen definido, no tiene un horizonte de eventos preciso, lo que hace que los bordes sean "borrosos". También permite a los físicos describir un agujero negro utilizando principios de la mecánica cuántica. Además, "fuzzball" es un nombre realmente divertido para tener en nuestra lengua vernácula científica.