Las estrellas de neutrones abren una nueva vía para detectar una posible quinta fuerza de la naturaleza
Las estrellas de neutrones, los objetos más densos del cosmos, se han convertido en inesperados aliados para explorar la física más allá del modelo estándar. Su lento enfriamiento podría estar marcando los límites de una quinta fuerza oculta en la universo.
Por Enrique Coperías
En medio de una compleja maraña de filamentos gaseosos en una de nuestras galaxias vecinas más cercana, la Pequeña Nube de Magallanes, aparece un punto azul en el centro del anillo rojo. Se trata de una estrella de neutrones aislada con débil campo magnético, la primera identificada fuera de la Vía Láctea. Cortesía: ESO/NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/F. Vogt et al.
La gravedad ha reinado desde hace más de un siglo como la más enigmática de las fuerzas fundamentales, por encima del electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Su aparente simplicidad —la atracción entre masas que decrece según la ley del inverso del cuadrado de la distancia— ha resistido innumerables pruebas experimentales.
Pero para muchos físicos, esta elegancia podría esconder una realidad más compleja. Una investigación reciente, publicada en Physical Review Letters, apunta en esa dirección: las estrellas de neutrones, los objetos estelares más densos que conocemos, estarían revelando indicios indirectos sobre la posible existencia de una quinta fuerza.
El estudio, firmado por investigadores de centros como el Sincrotrón Alemán de Electrones o DESY, la Universidad de Padua, en Italia, y la Universidad de Sídney, en Australia, utiliza una herramienta que hasta ahora había pasado casi desapercibida en la búsqueda de nuevas interacciones físicas: el enfriamiento de estrellas de neutrones aisladas. Al analizar la luz térmica que emiten estos cadáveres estelares, los autores del trabajo, Damiano F. G. Fiorillo, Alessandro Lella, Ciaran A. J. O’Hare y Edoardo Vitagliano, han conseguido imponer los límites más estrictos hasta la fecha sobre un tipo de partículas hipotéticas —los escalares ligeros— capaces de generar desviaciones de la ley de la gravedad a distancias diminutas, entre el micrómetro y el picómetro.
El resultado es sorprendente: si existieran tales partículas, deberían interactuar con los nucleones —protones y neutrones— con una intensidad extremadamente pequeña, inferior a 5 × 10^−14 (cinco por diez elevado a menos catorce). Ningún experimento de laboratorio había logrado alcanzar esta sensibilidad. Las estrellas, una vez más, vuelven a demostrar que son laboratorios de física extrema como ningún otro.
Qué es una quinta fuerza y por qué buscarla en el cosmos
La idea de que pueda existir una fuerza adicional a las cuatro conocidas, esto es, la gravedad, el electromagnetismo y las dos interacciones nucleares, no es nueva. Muchos modelos teóricos predicen la aparición de nuevas partículas, como los dilatones, los radiones y los bosones asociados a dimensiones extra, que modificarían ligeramente la manera en que se atraen dos masas a distancias muy cortas.
Estas modificaciones suelen expresarse como una interacción de tipo Yukawa: una fuerza adicional, de corto alcance, transmitida por una partícula ligera. Cuanto más pequeña sea la masa de esa partícula, mayor será el alcance de la nueva fuerza. Detectar estas desviaciones exige medidas extremadamente precisas, ya que los efectos serían minúsculos.
En la actualidad, experimentos como los de torsión, los de microcantilevers y las mediciones del efecto Casimir han explorado hasta la escala del micrómetro. Pero más allá de ese umbral, los métodos terrestres se vuelven cada vez más difíciles de aplicar. Aquí es donde entra en juego la astrofísica.
Dentro de una estrella de neutrones —un objeto de unos 20 kilómetros de diámetro que concentra en su interior masas superiores a la del Sol— las temperaturas, densidades y campos gravitatorios alcanzan valores imposibles de reproducir en ningún laboratorio humano. Si los escalares existieran, los nucleones que componen la estrella podrían emitirlos como un canal extra de pérdida de energía. Y esa energía perdida tendría un efecto observable: la estrella se enfriaría más rápido de lo previsto por los modelos convencionales.
Hallazgo clave: las estrellas de neutrones muestran límites más estrictos que las supernovas
Para entender la potencia del método, conviene recordar cómo se enfría una estrella de neutrones. Tras su nacimiento en una explosión de supernova, su temperatura inicial ronda los cientos de miles de millones de grados. Con el paso de decenas o cientos de miles de años, la emisión de neutrinos —partículas subatómicas muy ligeras, neutras y que casi no interactúan con la materia— desde el interior y de fotones desde la superficie va enfriando el astro hasta temperaturas de apenas unas decenas de miles de grados.
El estudio se concentra en estrellas relativamente viejas de 100.000 a un millón de años, donde la temperatura es ya lo suficientemente baja como para que los neutrinos pierdan protagonismo. En este régimen, cualquier mecanismo de enfriamiento adicional destaca con mucha claridad.
A diferencia de los axiones —otro tipo de partículas hipotéticas cuya emisión estelar también se ha estudiado extensamente—, los escalares no requieren un cambio de espín en los nucleones para ser emitidos. Esto elimina un factor de supresión presente en los axiones, y hace que, especialmente en estrellas frías, la emisión de escalares pueda ser mucho mayor que la de neutrinos. En números: los autores calculan que este proceso podría ser hasta 10 millones de veces más eficiente en un entorno de estrella de neutrones que en una supernova joven.
Con este razonamiento físico de fondo, los cuatro físicos decidieron comparar modelos teóricos de enfriamiento —con y sin emisión de escalares— con observaciones reales de cinco estrellas de neutrones relativamente cercanas: cuatro de las llamadas Siete Magníficas, un grupo de estrellas térmicas aisladas, y el púlsar PSR J0659+14. De todas ellas se conocen la luminosidad térmica medida y una estimación razonable de su edad cinemática.
Cómo se criba una fuerza nueva dentro de una estrella vieja
El análisis no es sencillo. Para cada estrella, los investigadores deben considerar parámetros internos que no se pueden observar directamente: la masa, la composición de la envoltura, la ecuación de estado de la materia ultradensa del núcleo y el grado de superfluidez de los neutrones y protones. Variando sistemáticamente estos factores —y añadiendo diferentes combinaciones de masa y acoplamiento del hipotético escalar— simulan miles de curvas de enfriamiento mediante el código NSCool, un estándar en la comunidad astrofísica.
El enfoque estadístico es clásico en física de partículas: se formulan curvas predichas y se comparan con los datos observados mediante funciones de verosimilitud. Así, si un valor dado del acoplamiento del escalar produce curvas incompatibles con la luminosidad real de las estrellas, queda descartado. Cuando el escalar enfría demasiado el astro en comparación con su luminosidad medida, esa región del espacio de parámetros queda excluida.
De este modo, tras combinar la información de las cinco estrellas, el resultado emerge con contundencia: para masas del escalar inferiores a unos 100 eV, el acoplamiento debe ser menor que 5 × 10^−14. Incluso para masas que rozan el rango del megavoltio-electrónio (MeV), los límites siguen siendo mejores que los obtenidos por la célebre supernova SN 1987A, que desde los años 80 constituía el referente en este tipo de búsquedas.
En el estudio, los autores comparan sus nuevos límites con todas las restricciones existentes y muestran que el rango excluido gracias al enfriamiento de estrellas de neutrones supera claramente a los obtenidos previamente con otros métodos. En la práctica, las viejas estrellas de nuestro vecindario galáctico se revelan, de forma inesperada, como los mejores detectores naturales de fuerzas ultracortas en la naturaleza.
El comportamiento térmico de antiguas estrellas de neutrones está desafiando las fronteras de la física conocida. Estos colosos muertos podrían esconder la clave para poner a prueba la existencia de una quinta fuerza universal. Cortesía: ESA
Impacto en modelos físicos: del Higgs-portal a la materia oscura
Si estos escalares existieran, generarían una quinta fuerza detectable solo a escalas muchísimo más pequeñas que las de la vida cotidiana. Esta fuerza sería enormemente más débil que la gravedad, pero aun así podría tener implicaciones cosmológicas y contribuir a resolver problemas abiertos como la naturaleza de la materia oscura y el origen de la jerarquía entre las masas fundamentales.
Los autores subrayan que su estudio también es relevante para modelos de portal de Higgs, que proponen un enlace entre el campo de Higgs y un sector oscuro. En este caso, los datos implican que el ángulo de mezcla entre ambos sectores debe ser inferior a 6 × 10^−11, un límite igualmente sin precedentes.
El trabajo deja abiertas nuevas posibilidades. Si las estrellas de neutrones son sensibles a escalares, también podrían serlo a otros mediadores hipotéticos, como nuevos bosones gauge que actúen entre bariones o partículas oscuras con interacción hadrónica. Además, futuras observaciones, especialmente con telescopios de rayos X que puedan medir con mayor precisión la luminosidad y edad de estos objetos, permitirán refinar los límites o incluso detectar desviaciones que apunten a nueva física.
Mientras tanto, las estrellas de neutrones siguen enfriándose en silencio, emitiendo una radiación térmica que se convierte hoy en el mejor mensajero disponible para probar la estructura fundamental del universo. A veces, para buscar la física más exótica, basta con mirar atentamente a los astros más antiguos y fríos del vecindario cósmico. ▪️
Fuente: Damiano F. G. Fiorillo, Alessandro Lella, Ciaran A. J. O’Hare y Edoardo Vitagliano. Leading Bounds on Micrometer to Picometer Fifth Forces from Neutron Star Cooling. Physical Review Letters (2025). DOI: DOI: https://doi.org/10.1103/tlqz-713s
