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11 de Marzo de 2020
Astrofísica

Viene la edad de oro de la física de las estrellas de neutrones

Estos residuos estelares están entre los objetos más enigmáticos del universo. Ahora se está empezando a descubrir sus secretos.

NICER, que capta rayos X con 56 telescopios recubiertos de oro, permite estudiar la estructura de las estrellas de neutrones [NASA].

Cuando una estrella de masa grande muere como una supernova, la explosión es solo el principio del fin. La mayor parte de la materia estelar es arrojada lejos, a través de grandes extensiones del espacio; pero detrás queda el cogollo de hierro de la estrella. Este núcleo apretuja tanta masa como dos soles y se encoge rápidamente hasta convertirse en una esfera más larga que Manhattan. La demoledora presión interna, que comprimiría el Everest hasta que tuviese el tamaño de un terrón de azúcar, fusiona los protones y electrones subatómicos y crea así con ellos neutrones.

Los astrónomos saben todo eso acerca del nacimiento de las estrellas de neutrones. Pero qué ocurre después exactamente, en el interior de esos núcleos densísimos, sigue siendo un misterio. Algunos investigadores tienen la teoría de que los neutrones podrían ser dominantes por todo el astro hasta llegar al centro mismo. Otros plantean la hipótesis de que la increíble presión compacta el material en partículas más exóticas o en estados que se aplastan y deforman de modos inusuales.

Ahora, tras décadas de conjeturas, los investigadores se acercan a resolver el enigma, en parte gracias a un instrumento de la Estación Espacial Internacional, el Explorador de la Composición del Interior de las Estrellas de Neutrones (NICER).

El mes de diciembre pasado, este observatorio espacial de la NASA proporcionó a los astrónomos, mediante este, este y este artículo, algunas de las mediciones más precisas que jamás se hayan hecho de la masa y el radio de una estrella de neutrones, y además unos hallazgos inesperados sobre su campo magnético. El equipo del NICER tiene pensado publicar los resultados sobre más estrellas en los meses que vienen. Los observatorios de ondas gravitatorias ofrecen otros datos: pueden detectar las contorsiones de las estrellas de neutrones cuando chocan unas con otras. Con estas observaciones combinadas, los investigadores pretenden determinar con exactitud de qué está hecho el interior de una estrella de neutrones.

Para muchos especialistas, estos resultados marcan un cambio en el estudio de uno de los tipos de objeto más desconcertantes del universo. «Está empezando a ser una edad de oro de la física de las estrellas de neutrones», dice Jürgen Schaffner-Bielich, físico teórico de la Universidad Goethe de Frankfurt.

El telescopio NICER, que ha costado 62 millones de dólares, fue lanzado al espacio en 2017 por un cohete Falcon 9 de SpaceX; se encuentra en el exterior de la estación espacial y recoge rayos X procedentes de púlsares (estrellas de neutrones rotativas que radian partículas cargadas y energía en enormes columnas que van barriendo el espacio como los haces luminosos de un faro). Los rayos X se originan en zonas calientes, a un millón de grados, de la superficie del púlsar, donde un potente campo magnético arranca partículas cargadas del exterior y las estrella contra el polo magnético contrario.

NICER detecta esos rayos X con 56 telescopios forrados con oro y registra su momento de llegada con un margen de error de menos de cien nanosegundos. Con estos medios, los investigadores pueden rastrear las zonas calientes de modo preciso mientras la estrella de neutrones gira alrededor de sí misma hasta mil veces por segundo. Las zonas calientes son visibles mientras se van moviendo. Pero las estrellas de neutrones distorsionan tanto el espaciotiempo que NICER detecta también la luz de zonas calientes que no miran hacia la Tierra. La teoría general de la relatividad de Einstein ofrece una forma de calcular la razón entre masa y el radio a partir de cuánto se dobla la luz. Gracias a esta y otras observaciones, los astrofísicos precisan las masas y radios de las estrellas muertas. Estas dos propiedades podrían servir para determinar lo que sucede en los núcleos.

Un misterio profundo, oscuro

Las estrellas de neutrones se complican más cuanto más se ahonda en su interior. Bajo una fina atmósfera, hecha sobre todo de hidrógeno y helio, los restos estelares forman, según se cree, una corteza exterior de solo un centímetro o dos de grosor que contiene núcleos atómicos y electrones que se mueven libres. Se piensa que los elementos ionizados quedan empaquetados en la capa siguiente y crean una retícula en la corteza interior. Más abajo aún, la presión es tan intensa que casi todos los protones se combinan con electrones y se convierten así en neutrones, pero lo que sucede más allá de eso es, como poco, confuso.

Las estrellas de neutrones se adensan con la profundidad. Aunque los investigadores se hacen una idea bastante clara de la composición de las capas exteriores, el densísimo núcleo interior sigue siendo un misterio. La atmósfera (1) está hecha sobre todo de hidrógeno y helio; la corteza exterior (2), de núcleos atómicos y electrones libres; la corteza interior (3), de neutrones y electrones libres y de nucleos atómicos pesados; el núcleo exterior (4), de un líquido cuántico rico en neutrones; y el núcleo interior (5), de una materia ultradensa desconocida (quarks, condensado de Bose-Einstein o hiperones, entre otras propuestas).

«Una cosa es conocer los ingredientes», dice Jocelyn Read, astrofísica de la Universidad del Estado de California en Fullerton. «Otra, entender la receta y saber cómo van a interaccionar esos ingredientes entre sí».

Los físicos tienen alguna idea de lo que pasa gracias a los aceleradores de partículas de la Tierra. En instalaciones como el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Upton, Nueva York, y el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, en Ginebra, se ha hecho que choquen entre sí iones pesados, de plomo y oro, por ejemplo, para crear breves colecciones de material monumentalmente denso. Pero estos experimentos cinéticos generan destellos a mil millones de grados, a un billón de grados incluso, en los que protones y neutrones se disuelven en una sopa de sus constituyentes, los quarks y los gluones. A los instrumentos terrestres les es difícil sondear las condiciones, relativamente templadas, a millones de grados, que reinan en el interior de las estrellas de neutrones.

Hay múltiples ideas acerca de lo que podría pasar. Puede ser que los quarks y los gluones se muevan libremente. O bien las energías extremas podrían conducir a la creación de las partículas llamadas hiperones. Como los neutrones, contienen tres quarks. Pero mientras que los neutrones contienen los quarks más básicos y de menor energía, los quarks arriba y abajo, un hiperón tiene al menos uno de estos reemplazado por un exótico quark «extraño». Otra posibilidad es que el centro de una estrella de neutrones sea un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia en el que todas las partículas subatómicas actúan como un solo ente mecanocuántico. Y los teóricos han soñado perspectivas aún más excéntricas.

Lo crucial es que cada posibilidad empujaría de una forma característica contra la colosal gravedad de una estrella de neutrones. Generarían presiones internas diferentes y por lo tanto un radio mayor o menor para una masa dada. Una estrella de neutrones con un condensado de Bose-Einstein en su centro, por ejemplo, tendría probablemente un radio menor que una hecha de materiales normales, como los neutrones. Una con un núcleo de dúctil materia hiperónica podría tener un radio aún menor.

«Los tipos de partículas y las fuerzas entre ellas afectan al grado en que un material es blando o aplastable», dice Anna Watts, perteneciente al equipo del NICER, de la Universidad de Ámsterdam.

Diferenciar entre los modelos requerirá mediciones más precisas del tamaño y de la masa de las estrellas de neutrones, pero los investigadores no han conseguido todavía afinar tanto sus técnicas como para poder decir cuál de las posibilidades es la más probable. De ordinario, estiman las masas observando estrellas de neutrones que forman pareja, un sistema binario. Como los objetos describen órbitas uno alrededor del otro, cada uno tira gravitatoriamente del otro; los astrónomos pueden gracias a ello calcular sus masas. Se ha medido así la de unas 35 estrellas, pero las mediciones tienen barras de error de hasta una masa solar. Se ha calculado el radio solo de una docena o así, pero en muchos casos las técnicas no pueden determinar ese valor con una precisión mejor que unos pocos kilómetros, hasta un quinto del tamaño de una estrella de neutrones.

El observatorio de rayos X XMM-Newton utilizó el método de las zonas calientes que usa también el NICER. Se lanzó al espacio en 1999 y sigue funcionando. Pero NICER es cuatro veces más sensible y su resolución temporal es cientos de veces mejor que la del XMM-Newton. A lo largo de los próximos dos o tres años, el equipo espera descubrir con NICER las masas y radios de otra media docena de objetivos; sus radios se determinarán con un margen de error de medio kilómetro. Con esta precisión, el grupo estará en buenas condiciones de empezar a trazar la llamada ecuación de estado de las estrellas de neutrones, que relaciona la masa con el radio o, equivalentemente, la presión interna con la densidad.

Si los científicos tienen especial suerte y resulta que la naturaleza les da unos datos particularmente buenos, NICER podría eliminar ciertas versiones de esa ecuación. La mayoría de los físicos, sin embargo, cree que el observatorio, por sí solo, estrechará más, pero no descartará por completo, los modelos de lo que pasa en los misteriosos núcleos de esos objetos. «Aunque solo fuese eso, se trataría de un inmenso avance con respecto a donde estamos ahora», dice Watts.

Líneas de campo

El primer objetivo del NICER fue J0030+0451, un púlsar aislado que gira unas 200 veces por segundo y está a 337 pársecs (1100 años luz) de la Tierra en la constelación de Piscis.

Dos grupos, uno radicado sobre todo en la Universidad de Ámsterdam y otro dirigido por investigadores de la Universidad de Maryland en College Park, cribaron por separado 850 horas de observaciones; cada grupo sirve como comprobación del otro.

Las zonas calientes según dos versiones distintas para el púlsar J0030+0451, ambas basadas en los análisis del NICER [Centro de Vuelos Espaciales Goddard/CI Lab].

Como las curvas de luz de los puntos calientes son tan complejas, los grupos necesitaron supercomputadores para modelizar varias configuraciones y averiguar cuál es la que encaja mejor con los datos. Pero ambos obtuvieron resultados parecidos: J0030 tiene una masa que es 1,3 o 1,4 veces la del Sol, y un radio de unos 13 kilómetros.

Estos resultados no son definitivos: con ellos se pueden apoyar entre las predicciones de qué hay en las entrañas de las estrellas de neutrones tanto las prosaicas como las que parecen de otro mundo. «Por ahora no hace falta nada raro o loco o exótico», dice Andrew Steiner, astrofísico nuclear de la Universidad de Tennessee en Knoxville.

Los investigadores se llevaron una gran sorpresa con sus hallazgos sobre la forma y la posición de las zonas calientes. Según el punto de vista canónico sobre las estrellas de neutrones, las líneas de su campo magnético se parecen a las que rodean a una barra imantada: las del norte y sur emergerían de zonas circulares en lados opuestos de la estrella. Por el contrario, según las simulaciones del supercomputador holandés las dos zonas calientes de J0030 están en el hemisferio sur, y una de ellas tiene una forma alargada, de luna creciente. El equipo de Maryland encontró además la posibilidad de una solución con tres zonas calientes: dos ovales, en el sur, y un círculo final cerca del polo sur rotacional.

«Parece que quizá hayan hecho la primera detección real de un púlsar donde los haces no están separados 180 grados», dice Natalie Webb, astrofísica del Instituto de Investigaciones de Astrofísica y Planetología, en Toulouse, que ha modelizado esas posibilidades. «Si es cierto, es fantástico».

Los resultados afianzarían observaciones y teorías anteriores según las cuales los campos magnéticos de las estrellas de neutrones, un billón de veces más intensos que el del Sol, pueden ser más complejos de lo que se supone por lo general. Se cree que los púlsares, tras su formación, van frenando su rotación a lo largo de millones de años. Pero si tienen una estrella compañera que orbite a su alrededor, podrían robarle a esa acompañante materia y momento angular; su giro se aceleraría así hasta velocidades enormes. A medida que la materia se va depositando en el exterior de la estrella podría afectar, según algunos teóricos, a una capa similar a un fluido de neutrones subsuperficiales, de modo que se generarían vórtices gigantes que retorcerían el campo magnético de la estrella de neutrones confiriéndole extrañas disposiciones. La acompañante podría acabar siendo consumida o perdiendo tanta masa que dejase de estar gravitatoriamente ligada y se alejase; podría haber ocurido con la hoy solitaria J0030.

Trabajos en marcha

NICER sigue observando J0030 para mejorar todavía más la precisión de sus mediciones del radio. Al mismo tiempo, el equipo empieza a analizar los datos de un segundo objetivo, un púlsar un poco más pesado que tiene como compañera una enana blanca. Otros astrónomos han usado las observaciones del baile orbital de esta pareja para determinar la masa del púlsar, lo que significa que los investigadores del NICER cuentan con una medición independiente de las suyas para validar sus hallazgos.

NICER está instalado en el exterior de la estación Espacial Internacional [NASA].

El equipo del NICER tiene proyectado incluir entre sus objetivos a al menos un par de púlsares de masa elevada; entre ellos el que tiene el récord de masa entre las estrellas de neutrones, 2,14 veces la del Sol. Así, podrían sondear un límite superior: el punto en el que una estella de neutrones colapsa y se convierte en un agujero negro. Una masa 2,14 veces la solar ya les es difícil de explicar a los teóricos. Varios investigadores han planteado además que NICER quizá podría hallar dos estrellas de neutrones con la misma masa pero radio diferente. Eso indicaría la presencia de un punto de transición en el que pequeñas diferencias crearían dos núcleos claramente distintos. Uno podría contener neutrones sobre todo, por ejemplo, y el otro estaría compuesto de una materia más exótica.

Aunque NICER está en la vanguardia, no es el único instrumento que bucea en las profundidades de los púlsares. En 2017, el Observatorio de Ondas Gravitatorias con Interferometría Láser (LIGO) y el detector Virgo de Italia captaron la señal de dos estrellas de neutrones que chocaban y se fusionaban en una. Como estos objetos giraban el uno alrededor del otro antes del choque, emitieron ondas gravitacionales que contenían información sobre el tamaño y la estructura de las estrellas. La colosal influencia gravitatoria de cada una tiraba de la otra y la deformaba; cada una de ellas debió de contorsionarse de modo que su forma esférica se convirtió en una de lágrima. La magnitud de la distorsión en esos momentos finales informa sobre la maleabilidad del material dentro de las estrellas de neutrones.

La instalación del LIGO de Livingston, Luisiana, captó un segundo choque de estrellas de neutrones el mes de abril pasado; en cualquier momento se divisarán más sucesos. Hasta ahora, las dos fusiones solo han dado algunos indicios de las propiedades de los interiores de las estrellas de neutrones; eso hace pensar que no son particularmente deformables. Pero la generación actual de instalaciones no puede observar los cruciales momentos finales, cuando la distorsión sería mayor y exhibiría las condiciones internas con más claridad.

Se espera que el Detector de Ondas Gravitatorias Kamioka, en Hida, Japón, se conecte a finales de este año; la Iniciativa India de las Ondas Gravitacionales, cerca de Aundha Naganath, Marathwada, lo hará en 2024. En combinación con LIGO y Virgo, mejorarán la sensibilidad y permitirán que se capten incluso los detalles de los momentos que conducen a la colisión.

Mirando más lejos en el futuro, hay planeados varios instrumentos que podrían hacer observaciones que se les escapan al NICER y a los actuales observatorios de ondas gravitatorias. Se espera que en 2027 se lance un satélite chinoeuropeo, la Misión Aumentada de Polarimetría y Temporización de Rayos X, o eXTP; estudiará estrellas de neutrones, tanto aisladas como binarias, para determinar su ecuación de estado. Se ha propuesto también una misión establecida en el espacio; volaría en la década de 2030 y se llamaría Observatorio Espectroscópico de Resolución Temporal para Rayos X de Energía de Banda Ancha, o STROBE-X. Emplearía la técnica de las zonas calientes del NICER y precisaría aún más las masas y radios de al menos otras veinte estrellas de neutrones.

Los cogollos de las estrellas de neutrones probablemente retendrán para siempre algunos secretos. Pero parece que ahora los físicos están bien situados para que se empiece a pelarles capas a esos astros. Read, miembro del equipo del LIGO, dice que ha colaborado con el proyecto para imaginar las cuestiones científicas que los detectores de ondas gravitacionales podrían abordar en las décadas de 2030 y 2040. Puesta a ello, comprendió que el paisaje de la investigación de estrellas de neutrones, en particular la cuestión de la ecuación de estado, tendrá para entonces un aspecto muy diferente.

«Es uno de esos problemas de los que una se imagina que siempre estará ahí», dice. «Ahora, estamos en un punto donde veo a la comunidad científica desentrañando el problema de la estructura de las estrellas de neutrones en esta misma década».

 

Poderosos campos eléctricos y magnéticos disparan partículas cargadas en una simulación de ordenador de una estrella de neutrones rotativa [Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA].

Adam Mann / Nature

Articulo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con el permiso de Nature Research Group.

Referencia: «A NICER View of PSR J0030+0451: Millisecond Pulsar Parameter Estimation», de T. E. Riley et al., en The Astrophysical Review Letters, volumen 887, número 1; «PSR J0030+0451 Mass and Radius from NICER Data and Implications for the Properties of Neutron Star Matter», de M. C. Miller et al., en The Astrophysical Review Letters, volumen 887, número 1; «A NICER View of PSR J0030+0451: Evidence for a Global-scale Multipolar Magnetic Field», de A. V. Bilous et al., en The Astrophysical Review Letters, volumen 887, número 1. Pueden leerse las prepublicaciones en arXiv:1912.05702arXiv:1912.05705 y arXiv:1912.05704.

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