¿Cuáles son las estrellas más densas del universo?

Hoy os traigo un artículo sobre estrellas extremadamente densas que tenía ganas de escribir desde hace tiempo.

Ya vimos en esta otra entrada que, cuando las estrellas que tienen una masa similar a la del sol empiezan a agotar su combustible, se hinchan, expulsan sus capas externas al espacio y dejan atrás las remanentes compactas de su núcleo en forma de una estrella enana blanca.

La masa de las enanas blancas ronda entre 0,17 y 1,33 veces la del sol pero, curiosamente, estos objetos tienen un tamaño similar al de un planeta rocoso pese a que su masa sea comparable a la de una estrella. Como resultado, la materia que compone las enanas blancas está increíblemente compactada, llegando a alcanzar densidades de miles de millones de kilos por metro cúbico (10⁹ kg/m³). En comparación, el agua tiene una densidad de unos 1.000 kg/m³ y el elemento más denso de la tabla periódica, el osmio, «sólo» llega a los 22.600 kg/m³ en condiciones normales.

¡¿Qué dices?! ¿Y por qué existe una diferencia tan grande entre la densidad de la materia «normal» y la de una enana blanca?

Pues porque, en las condiciones a las que está sometida la materia en nuestro día a día, la mayor parte del volumen de los átomos está vacía.

Me explico.

Los electrones son unas 2.000 veces más ligeros que los protones o los neutrones, así que casi toda la masa de un átomo está concentrada en su núcleo. Pero, pese a lo que puedan sugerir las ilustraciones de átomos a las que estamos acostumbrados, el diámetro de los núcleos atómicos es en realidad unas 100.000 veces menor que el de los átomos a los que pertenecen, delimitado por la órbita de los electrones más externos.

¿Y qué hay en ese todo ese espacio que queda entre los electrones y el núcleo?

No hay nada, voz cursiva. De hecho, el 99,9999999% del volumen de un átomo está vacío, así que los átomos tendrían más o menos este aspecto «a escala real»:

Como podéis imaginar, esta ilustración no sería muy útil en un libro de texto.

Por tanto, como casi toda la masa de los átomos está concentrada en el núcleo y la mayor parte del volumen de un átomo está vacío, su densidad global es muy baja y, de la misma manera, también lo es la de la materia a la que dan lugar.

Pero las condiciones que se dan en el interior de una enana blanca son de todo, menos normales.

Debido a su tremenda masa y su reducido tamaño, el campo gravitatorio de una enana blanca es tan intenso que el peso de una persona sobre su superficie sería cientos de miles de veces superior al que experimenta en la Tierra. En estas condiciones, la materia que compone las enanas blancas está sometida a una fuerza compresiva tan intensa que incluso los electrones se ven obligados a abandonar sus órbitas y concentrarse lo más cerca posible de los núcleos atómicos.

Llegados a este punto, la única fuerza que se opone a la gravedad y que impide que la materia de una enana blanca se siga comprimiendo es el principio de exclusión de Pauli que, básicamente, dictamina que dos partículas no pueden ocupar el mismo estado cuántico. O sea, que en esta situación los electrones están tan pegados unos a otros que las leyes fundamentales de la mecánica cuántica les impiden acercarse aún más y, como resultado, los «átomos» de una enana blanca contienen mucho menos espacio vacío que en condiciones normales porque los electrones están mucho más cerca de sus núcleos.

Por tanto, la materia de una enana blanca es tan densa porque contiene muchos más núcleos atómicos por unidad de volumen que en condiciones normales.

Pero las enanas blancas ni siquiera son los objetos más densos que se  conocen.

Cuando una estrella mucho más masiva que el sol revienta en forma de supernova, la explosión resultante es capaz de compactar todo el material de su núcleo en una esfera de pocas decenas de kilómetros de diámetro. Este tipo de objetos, llamados estrellas de neutrones, pueden contener una masa hasta casi 2 veces mayor que la del sol comprimida en una esfera de una decena de kilómetros de diámetro y, en consecuencia, su densidad alcanza cientos de miles de billones de kilos por metro cúbico (3,7×10¹⁷ a 5,9×10¹⁷ kg/m³).

Las estrellas de neutrones alcanzan estas densidades tremendas porque su campo gravitatorio es aún más fuerte que el de las enanas blancas, de modo que la fuerza compresiva a la que está sometido su interior es tan intensa que sus electrones se ven obligados a unirse con sus núcleos, combinándose con los protones para producir más neutrones. Pero, cuidado, porque, pese a lo que su nombre sugiera, no todas las partículas que hay en una estrella de neutrones son… Bueno, neutrones.

En realidad, la corteza de estos objetos está compuesta mayoritariamente por núcleos de hierro (que contienen tanto neutrones como protones) y electrones que se mueven entre ellos libremente, pero la concentración neutrones va aumentando con la profundidad hasta que se convierten en las partículas mayoritarias cerca del centro de la estrella.

(Fuente)

En cualquier caso, el interior de una estrella de neutrones está compuesto por núcleos atómicos muy pegados entre ellos. Sin apenas espacio vacío que separe esos núcleos, el material que contienen estas estrellas alcanza esas densidades tan surrealistas. De hecho, salvando mucho (muchísimo) las distancias, se podría comparar (pero con cuidado) una estrella de neutrones con un núcleo atómico gigante.

Ahora bien, al menos hipotéticamente, la materia se puede comprimir aún más.

En esta otra entrada comentaba que los protones y los neutrones no son partículas fundamentales porque están compuestos por unas partículas aún más pequeñas llamadas quarks: tanto protones como neutrones contienen 3 quarks cada uno, mantenidos en su sitio por la llamada fuerza nuclear fuerte (a la que dedico un capítulo entero, junto con la fuerza nuclear débil, en mi segundo libro).

Crédito: GeneralFM/Istock/Thinkstock

Y resulta que, en teoría, si la fuerza gravitatoria de un objeto es lo bastante intensa como para sobreponerse a la repulsión que se produce entre los neutrones sin convertirlo en un agujero negro, incluso estas partículas se pueden descomponer y convertirse en una «sopa» de quarks sin ningún tipo de estructura.

El material contenido en un objeto hecho con este material, una estrella de quarks, sería aún más denso que el de una estrella de neutrones y, como resultado, el diámetro de estos cuerpos celestes hipotéticos sería mucho menor. Para hacernos una idea de la diferencia, aquí tenemos una escala en la que se comparan estos objetos con un asteroide relativamente grande:

(Fuente)

Y, para hacernos otra idea de lo comprimido que estaría el material dentro de estas estrellas, sería algo así:

Pero, por emocionante que suene la idea, nadie ha encontrado una estrella de quarks… De momento.

Se ha sugerido que las estrellas de neutrones con una masa más de 2 veces superior a la del sol podrían estar parcialmente hechas de esta «sopa» de quarks, así que el descubrimiento de una estrella con estas características sería un buen indicativo de la existencia de este tipo de materia. Por otro lado, también se ha calculado que un objeto compacto con una masa unas 2,75 veces superior a la del sol generaría una fuerza gravitatoria lo bastante intensa como para convertirse en una verdadera estrella de quarks.

¿Tan poca masa? Entonces el universo debe estar lleno de estas estrellas de quarks, ¿no?

Pues no tiene pinta, voz cursiva, porque la estrella de neutrones más masiva que se ha descubierto hasta ahora no alcanza las dos masas solares así que, al menos de momento, no hay ningún candidato sólido en la categoría de las estrellas de quarks.

Aun así, también algunas supernovas especialmente intensas que se han observado podrían indicar que estas explosiones están produciendo estrellas de quarks, en vez de estrellas de neutrones. Un caso es el de la supernova SN 2006gy, que estalló con un brillo 100 veces más de lo que cabría esperar… Pero, igual que en los casos anteriores, no hay una evidencia sólida de que ese sea el caso.

O sea que, de momento, las estrellas más densas que se conocen son las estrellas de neutrones. ¿Se confirmará la existencia de las estrellas de quarks y me veré obligado a actualizar esta entrada? Sólo el tiempo lo dirá.

Y ahora, para variar…