¿Estamos confundiendo estrellas ultracompactas con agujeros negros?

Algunos de los objetos catalogados como agujeros negros podrían ser en realidad estrellas extremadamente compactas, según un estudio teórico encabezado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía. La clave está en un fenómeno que no considera la relatividad general: la polarización del vacío, que se comporta como si hubiera una nube adicional de materia en ciertas estrellas, haciéndolas mucho más densas de lo que se pensaba.

Aunque las estrellas y los agujeros negros constituyen a priori objetos claramente distintos, según un nuevo estudio teórico, publicado en Scientific Reports, emerge una extraña pregunta: ¿Estamos confundiendo un tipo muy compacto de estrellas con agujeros negros?

Detrás de la pregunta y del nuevo trabajo están dos conceptos relacionados: la polarización del vacío y la denominada materia semiclásica, que permiten que existan estrellas mucho más compactas de lo que se pensaba, con densidades similares a las de los agujeros negros.

Antes de explicar estos conceptos conviene recordar que las estrellas pueden presentar desde densidades medias, como la del Sol, a las altísimas densidades de las estrellas enanas blancas, que pueden contener masas como la de nuestra estrella en volúmenes equivalentes al de la Tierra.

Mientras que en el caso de una estrella como el Sol es el equilibrio entre la gravedad, que tiende a hundir la estrella, y la presión térmica, que tiende a expandirla, lo que mantiene estable la estructura, en el caso de las enanas blancas actúa otro mecanismo, la degeneración de los electrones.

Pero el límite máximo se hallaría, según nuestro conocimiento actual, en las estrellas de neutrones, que pueden contener dos masas solares en un diámetro de 24 kilómetros y cuya estabilidad se debe a la degeneración de los neutrones.

“La relatividad general predice la existencia de un límite a cómo de compacta puede ser una estrella, conocido como límite de Buchdahl. Así, cualquier objeto que supere este límite debe ser un agujero negro, pues para objetos tan compactos no hay estructura material conocida que pueda soportar su propia gravedad”, apunta Julio Arrechea, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que encabeza el estudio.

De hecho, los agujeros negros estelares se producen por el colapso del núcleo de una estrella de muy alta masa. Son los objetos más compactos conocidos, con enormes cantidades de materia contenidas en un diámetro muy pequeño, donde su fuerza gravitatoria es tan intensa que ni la luz puede escapar de ellos.

“Pero en nuestro estudio hemos trabajado con un factor que afecta al límite de compacidad de las estrellas: la relatividad general estándar no tiene en consideración un fenómeno muy conocido en el electromagnetismo, la polarización del vacío, que tiene asociada una densidad de energía y que, según la idea central de la relatividad general, también debería ser una fuente de gravedad”, señala Carlos Barceló, investigador del IAA-CSIC que participa en el trabajo.

La materia semiclásica

La polarización del vacío se comporta como si hubiera una nube adicional de materia, que denominan materia semiclásica, además de la materia convencional o clásica.

Esta nube de materia semiclásica presenta propiedades muy peculiares que la materia clásica no puede reproducir, y puede incluso albergar energías negativas en ciertas situaciones. Mientras que en estrellas poco compactas como el Sol la polarización del vacío es un fenómeno despreciable, sí resulta relevante en situaciones cercanas al límite de Buchdahl.

En el nuevo estudio, que analiza la estructura de estrellas constituidas por materia clásica y semiclásica, los autores encuentran, debido a las peculiaridades de la materia semiclásica, estrellas relativistas más compactas que lo que establece el límite de Buchdahl.

“Este tipo de estrellas semiclásicas podrían ser perfectamente confundidas con agujeros negros, pues pueden ser casi tan compactas como ellos. Esto nos lleva a preguntarnos si los objetos a los que en la práctica astrofísica denominamos agujeros negros son realmente agujeros negros y no estrellas semiclásicas ultracompactas. Las nuevas capacidades observacionales prometen una década apasionante para discernir la verdadera naturaleza de estos objetos”, concluye Arrechea.

Referencia:

• J. Arrechea, C. Barceló et al. «Semiclassical relativistic stars». Scientific Reports, 2022.