La física contemporánea se sustenta sobre cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electromagnetismo, interacción nuclear fuerte e interacción nuclear débil. Sin embargo, desde hace décadas algunos modelos teóricos sugieren la existencia de una quinta fuerza que podría alterar de manera profunda nuestra comprensión del cosmos. Detectarla ha sido extremadamente difícil. Pero ahora, un avance publicado en Physical Review Letters propone una vía inesperada: observar el enfriamiento de estrellas de neutrones.
Investigadores del DESY alemán, las universidades de Padua, Bari, Sydney y Zeuthen han analizado cómo estas estrellas —uno de los objetos más densos del universo— podrían actuar como laboratorios naturales para probar la existencia de partículas escalares hipotéticas, posibles mediadoras de una quinta fuerza.
Las estrellas de neutrones son los restos comprimidos de supernovas. Su interior está formado esencialmente por neutrones y, en menor medida, por protones: los nucleones a los que podrían acoplarse las hipotéticas partículas escalares. Con densidades que superan millones de veces las de cualquier material terrestre, estos objetos son imposibles de replicar en laboratorio.
Edoardo Vitagliano, físico de la Universidad de Padua y autor principal del estudio, sintetiza la idea con claridad: “Hemos llegado a la sorprendente conclusión de que si una nueva fuerza actuara entre partículas a una distancia menor que el grosor de un cabello, las observaciones astronómicas serían la mejor herramienta para descubrirla”.
En esencia, si existe un mediador de una quinta fuerza, debería producirse dentro de las estrellas de neutrones en cantidades suficientes como para alterar la forma en que se enfrían.
Cómo probar la existencia de la quinta fuerza: el método del enfriamiento estelar
El razonamiento de los investigadores parte de un proceso natural: las estrellas de neutrones se enfrían a lo largo de millones de años, perdiendo energía en forma de radiación. Si en su interior se produjeran partículas escalares, estas se llevarían parte de esa energía, acelerando el enfriamiento respecto a lo que predicen los modelos convencionales.
El equipo analizó varias estrellas, entre ellas algunas de las famosas 'Siete Magníficas' y el pulsar PSR J0659, construyendo simulaciones que reproducen su evolución térmica desde su nacimiento hasta la actualidad. Para ello compararon:
Los modelos estándar de enfriamiento contrastan con aquellos que incluyen la producción de partículas escalares mediadoras de una quinta fuerza. La lógica es directa: si las estrellas estuvieran más frías de lo que observamos con los telescopios, significaría que algo adicional —una nueva partícula o una nueva fuerza— está drenando energía.
Las simulaciones que incluían partículas escalares producían estrellas mucho más frías que las observadas actualmente. O dicho de otro modo: “Las simulaciones que incorporan emisión de partículas escalares llevan a estrellas de neutrones que hoy serían mucho más frías de lo que muestran las observaciones”, explica Alessandro Lella, coautor del estudio.
Esto implica que, si la quinta fuerza existe, debe ser muchísimo más débil de lo que sugerían estimaciones anteriores. El estudio logró imponer límites hasta un millón de veces más estrictos que experimentos previos, convirtiéndose en el análisis más preciso realizado hasta ahora sobre interacciones escalar-nucleón.
Qué es exactamente lo que podría representar esta quinta fuerza
La hipótesis propone que la quinta fuerza estaría mediada por partículas escalares sin espín. Vitagliano explica que “al igual que la interacción electromagnética se debe al intercambio de fotones, esta nueva fuerza estaría mediada por una partícula escalar”.
Estas partículas aparecen en múltiples extensiones del Modelo Estándar y podrían incluso estar relacionadas con dimensiones adicionales o con la materia oscura, uno de los mayores enigmas del universo.
Dentro de una estrella de neutrones —donde los nucleones colisionan constantemente bajo una presión extrema— estas partículas hipotéticas se generarían en grandes cantidades. Eso las convertiría en un “canal de escape” térmico: una vía para que la estrella pierda energía más rápido de lo previsto.
El equipo ejecutó simulaciones numéricas que reconstruyen la historia térmica de las estrellas analizadas. Estas simulaciones modelan la producción de partículas escalares, su capacidad para transportar energía fuera del núcleo estelar y la temperatura observable que tendría la estrella hoy.
Tras comparar el resultado con los datos reales recopilados por telescopios de rayos X, encontraron concordancia con modelos sin quinta fuerza, lo que les permitió limitar —aunque no descartar— la existencia de estas partículas. “Encontramos que cualquier quinta fuerza existente debe ser mucho más débil de lo que se pensaba”, concluye Vitagliano.
Aunque el estudio no prueba la existencia de la quinta fuerza, sí muestra que las estrellas de neutrones son probablemente la herramienta más sensible para detectarla. Los límites obtenidos afinan teorías sobre violaciones del principio de equivalencia y de la ley del inverso del cuadrado, pilares de la gravedad tal como la entendemos.
Lella lo destaca: “La física que gobierna el interior de las estrellas de neutrones está lejos de comprenderse completamente. Es probable que no hayamos aprovechado aún todas las oportunidades que ofrecen estos objetos compactos”. Con próximas observaciones de telescopios de nueva generación, como Athena o el Square Kilometre Array, los investigadores esperan poder someter estas hipótesis a pruebas aún más exigentes. @mundiario