Los científicos han descubierto que tres estrellas de neutrones nacidas en el fuego de otras estrellas en explosión, se enfriaron con sorprendente rapidez, acercándonos a la comprensión de la naturaleza exótica de la materia en los núcleos de estos objetos extremos.
El descubrimiento ha sido realizado por un equipo español dirigido por Alessio Marino, del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) de Barcelona, utilizando telescopios espaciales europeos y estadounidenses que trabajan con luz de rayos X.
Una estrella de neutrones es el núcleo colapsado de una estrella masiva que se ha convertido en supernovay puede contener hasta casi tres veces el la masa de nuestro sol en un volumen esférico de sólo 11 kilómetros de diámetro. Toda esta materia empaquetada en un área tan pequeña significa que las estrellas de neutrones se encuentran entre las concentraciones de materia más densas del Universo conocido, sólo superadas por las estrellas de neutrones agujeros negros. Para hacer más comprensible esta afirmación, considere que una cucharada de material de estrella de neutrones sería comparable a la masa del Monte Everest.
Esta naturaleza extrema también significa que la física que rige el interior de las estrellas de neutrones sigue siendo oscura. Estos objetos se llaman estrellas de neutrones porque su materia ha sido triturada de tal manera que la carga negativa electrones y cargados positivamente protones se aplastan entre sí, superando la fuerza electrostática entre ellos para formar un objeto lleno de partículas neutras neutrones. En lo más profundo del núcleo de una estrella de neutrones, la materia podría triturarse aún más, formando partículas exóticas nunca vistas, como los hipotéticos hiperones. Tal vez, creen los científicos, los propios neutrones podrían desintegrarse en el interior de una estrella de neutrones, creando una sopa de el universolas partículas más fundamentales del universo: quarks.
Lo que ocurre en el interior de una estrella de neutrones se rige por su ecuación de estado. Piensa en ella como un manual que determina la estructura interna y la composición de una estrella de neutrones basándose en cosas como su masa, temperatura, campo magnético etc. El problema es que los científicos tienen literalmente cientos de opciones para esta ecuación de estado. Como no podemos replicarla en En la Tierra las condiciones en el interior de una estrella de neutrones, comprobar cuál de los modelos es el correcto depende mucho de su concordancia con lo que nos dicen las observaciones astronómicas.
Ahora, sin embargo, el descubrimiento de tres estrellas de neutrones con temperaturas superficiales sustancialmente más bajas que las de otras estrellas de neutrones de edad similar ha proporcionado una pista importante, permitiendo a los investigadores descartar de un plumazo tres cuartas partes de los posibles modelos para la ecuación de estado de las estrellas de neutrones. Dos de las estrellas de neutrones son púlsaresque son estrellas de neutrones que giran rápidamente y lanzan haces de chorros de radio en nuestra dirección. La tercera estrella de neutrones, en el remanente de supernova Vela Jr, no muestra comportamiento de púlsar, pero eso podría deberse simplemente a que sus chorros de radio no apuntan en nuestra dirección.
«La magnífica sensibilidad de XMM-Newton y Chandra hizo posible no sólo detectar estas estrellas de neutrones, sino también recoger luz suficiente para determinar sus temperaturas y otras propiedades», afirmó Camille Diez, científica de XMM-Newton en la Agencia Espacial Europea, en un comunicado.
Cuanto más caliente es una estrella de neutrones, más energéticos son sus rayos X, y la energía de rayos X de estas tres estrellas de neutrones nos dice que son bastante frías en lo que respecta a las estrellas de neutrones. Decimos «frías», pero las estrellas de neutrones siguen siendo excepcionalmente calientes, con temperaturas que oscilan entre 1,9 y 4,6 millones de grados Celsius (3,4 y 8,3 millones de grados Fahrenheit). Sin embargo, por su corta edad, que varía entre 840 años y 7.700 años, según el tamaño y la velocidad de expansión de los restos de supernova que las rodean, se consideran excepcionalmente frías. Las estrellas de neutrones nacen con temperaturas de cientos de miles de millones, o incluso un billón, de grados y, aunque se enfrían, otras estrellas de neutrones de edades similares tienen temperaturas dos veces superiores, a veces incluso más calientes.
Las estrellas de neutrones pueden enfriarse mediante dos mecanismos. Uno es la radiación térmica de su superficie, que permite que la energía térmica escape a la fría Tierra espacio. La otra es neutrino que roba energía del núcleo de una estrella de neutrones y se cree que es responsable del rápido enfriamiento de este particular trío de estrellas de neutrones.
Sin embargo, la rapidez con la que las estrellas de neutrones pueden enfriarse como resultado de estos mecanismos depende de la ecuación de estado.
«La joven edad y la fría temperatura superficial de estas tres estrellas de neutrones sólo pueden explicarse invocando un mecanismo de enfriamiento rápido», afirma en el comunicado de prensa uno de los investigadores, Nanda Rea, del Instituto de Ciencias del Espacio y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña. «Dado que el enfriamiento rápido sólo puede activarse mediante determinadas ecuaciones de estado, esto nos permite excluir una parte significativa de los posibles modelos»
El equipo estima que tres cuartas partes de todos los modelos posibles pueden descartarse tras este resultado. Los investigadores pudieron determinarlo calculando curvas de enfriamiento, que son básicamente gráficos que muestran cómo se enfrían las estrellas de neutrones en relación con tiempo. La forma de la curva depende en gran medida de las propiedades de las estrellas de neutrones, como la masa y la intensidad del campo magnético, por lo que, mediante aprendizaje automático, el equipo calculó el rango de parámetros que mejor describen cada curva de enfriamiento y luego los comparó con posibles ecuaciones de estado, comprobando cuáles seguían coincidiendo y cuáles podían eliminarse porque no tenían ninguna posibilidad de coincidir con los datos.
Este proceso redujo el abanico de posibles ecuaciones de estado, pero los hallazgos no se limitan a la caracterización de neutrones estrellas. El comportamiento de la materia a escalas subatómicas bajo presión intensa, temperatura extrema y gravedad aplastante introduce cuántica también. Actualmente, los científicos no tienen una teoría cuántica de la gravedady una ecuación de estado para las estrellas de neutrones podría, por tanto, ponernos en el camino de la aproximación de los efectos cuánticos y de la alta gravedad y la física de la gravedad en una única teoría.
