En el corazón de las estrellas de neutrones

Cuando una estrella veinte veces más masiva que el Sol muere, se convierte en una estrella de neutrones, un cuerpo del tamaño de una gran ciudad y de extrema densidad. «El objeto más loco que existe, pero la mayoría de la gente nunca ha oído hablar», comenta el astrofísico Zaven Arzoumanian, que trabaja en el centro de vuelo espacial Goddard en la NASA. Por lo tanto, un trozo de estrella de neutrones del tamaño de una pelota de ping pong pesaría más de mil millones de toneladas. Debajo de la superficie de la estrella, aplastada por la gravedad, la mayoría de los protones y electrones se fusionarían para formar neutrones, de ahí el nombre de estas estrellas. Al menos esta es la imagen que los astrofísicos tienen de estos objetos. Pero el asunto está lejos de resolverse.

La densidad dentro de una estrella de neutrones sería comparable a la de un núcleo atómico, aproximadamente 1017 kilogramos por metro cúbico, densidad que ciertos experimentos de laboratorio apenas comienzan a reproducir. Con condiciones tan extremas, la estructura interna de estos objetos permanece casi desconocida. «Estos objetos tienen la mayor densidad estable de materia, permitida por las leyes de la naturaleza pero en una forma que aún no entendemos», explica Zaven Arzoumanian. También es la forma de materia que experimenta la mayor gravedad que conocemos: si agregamos un poco más de masa, una estrella de neutrones se convertiría en un agujero negro, un objeto que distorsiona tanto el espacio-tiempo circundante que incluso la luz no puede escapar.

Diferentes hipótesis corren sobre la estructura interna de las estrellas de neutrones. Algunos sugieren que el corazón de estas estrellas simplemente está lleno de una fase densa de nucleones (los componentes de los núcleos atómicos), con la mayoría de los neutrones y algunos protones aquí y allá. Otros escenarios se basan en configuraciones más exóticas. Una posibilidad es una mezcla de nucleones y partículas menos comunes, hiperes. Estos fueron descubiertos en la década de 1950, gracias a los aceleradores de partículas y los experimentos asociados. Los nucleones y los hipones pertenecen a la familia de partículas compuestas llamadas bariones y cada una formada por tres quarks: el protón contiene dos quarks u y un quark d, el neutrón dos dy uno u, mientras que un hiperón está compuesto por al menos un quark s, Una versión más masiva e inestable del quark d. El núcleo de la estrella de neutrones también podría contener mesones, partículas compuestas de un quark y un antiquark. Pero, aún más exóticos, los neutrones podrían disolverse por completo, liberando quarks y gluones (partículas vectoriales de interacción fuerte, a las cuales los quarks son sensibles) que formarían una especie de partículas marinas (un plasma) que evolucionan libremente entre sí.

Si no se abre una estrella de neutrones y mira hacia adentro, es difícil decidir entre estos supuestos. Pero se logró un avance importante en agosto de 2017, cuando dos observatorios terrestres detectaron ondas gravitacionales (vibraciones en tiempo espacial) probablemente emitidas durante la coalescencia de dos estrellas de neutrones. Estas olas tenían información sobre la masa y el tamaño de las dos estrellas justo antes de su colisión. Los físicos han utilizado estos datos para establecer nuevos límites en las propiedades y posibles composiciones de estrellas de neutrones.

También nos llegan nuevas pistas del experimento Nicer (exploración de composición interior de la estrella Neutron), que comenzó en junio de 2017 en la EEI, la Estación Espacial Internacional. El objetivo de este experimento es observar púlsares, es decir, estrellas de neutrones en rotación rápida, dotadas de un fuerte campo magnético y rayos de luz emisores que los convierten en los «farotes del Universo». Cuando estas vigas barren la Tierra, vemos que los púlsares parpadean hasta 700 veces por segundo.

Gracias a estas experiencias, y aún a otras, finalmente tenemos razones para esperar saber más sobre la estructura interna de las estrellas de neutrones, pero también sobre el comportamiento de la materia en condiciones extremas.

Un nacimiento explosivo

Las estrellas de neutrones nacen en el corazón de los cataclismos cósmicos, las supernovas. Cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear, ya no puede soportar su propio peso y la estrella finalmente se derrumba. Por la violencia del proceso, sus capas externas son arrastradas al espacio, mientras que su corazón, compuesto principalmente de hierro en esta etapa de la vida de la estrella, está comprimido. La gravedad es tal que literalmente aplasta los átomos, empujando los electrones dentro del núcleo hasta que se fusionan con los protones para formar neutrones. «El hierro está comprimido por un factor de 100,000 en todas las direcciones», dice Mark Alford, físico de la Universidad de Washington en Saint Louis. «El átomo del tamaño de un décimo nanómetro se convierte en un paquete de neutrones de unos pocos femtómetros de diámetro. «[Un femtómetro, o 10-15 metros, representa una millonésima parte de un nanómetro, que corresponde a una billonésima parte de un metro.] Es como si la Tierra se redujera a un bloque. Al final del colapso, el vestigio de la estrella contiene unos veinte neutrones por cada protón.

«La estrella de neutrones es de alguna manera comparable a un solo núcleo atómico gigante», dice James Lattimer, astrónomo de la Universidad de Stony Brook, con una diferencia esencial: las interacciones nucleares aseguran la cohesión en un núcleo, mientras que este papel está garantizado por la gravitación en la estrella de neutrones . «

Para 1934, el alemán Walter Baade y el estadounidense-suiza Fritz Zwicky habían sido los primeros en imaginar que una supernova daría a luz a una estrella de neutrones. Solo habían pasado dos años desde que el físico británico James Chadwick descubrió el neutrón y muchos científicos se mostraron escépticos sobre la existencia de un objeto tan extremo como una estrella de neutrones. Fue solo en 1967, cuando Jocelyn Bell Burnell, luego de una tesis en la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, y sus colegas observaron púlsares (y que los investigadores determinaron al año siguiente que estos púlsares deberían ser estrellas rotativas de neutrones) que el La idea prevaleció.

Según los astrofísicos que los estudian, las estrellas de neutrones tienen una masa entre 1 y 2.5 veces mayor que la del Sol. Tendrían al menos tres capas. La capa externa es una «atmósfera» gaseosa de hidrógeno y helio de unos centímetros de espesor. Flota sobre una «corteza» externa de aproximadamente un kilómetro de espesor y consiste en núcleos de hierro atómico dispuestos en una estructura cristalina, con neutrones y electrones entre ellos.

El resto de la estrella, más profundamente, es objeto de más especulaciones. A medida que nos acercamos al centro, la presión aumenta y cada núcleo atómico contiene más neutrones. Pero desde cierto umbral, los núcleos se saturan en neutrones, de modo que se desbordan: ya no son núcleos, sino solo un neutrón y un líquido protón. Finalmente, en lo profundo de la estrella, en el núcleo interno, puede ser que ellos también se estén desmoronando. «Solo podemos especular sobre este estado de la materia, porque no sabemos qué está pasando con presiones y densidades tan locas», comenta Mark Alford. En el corazón de la estrella, en el núcleo interno, la densidad podría ser de 4 a 6 veces mayor que la de los núcleos atómicos. «Los neutrones pueden aplastarse entre sí y ya no podemos hablar de un líquido de neutrones, sino de un líquido de quark». «

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Cómo se ve este fluido ? Una posibilidad es que estos quarks formen un «superfluido», desprovisto de viscosidad y que, una vez puesto en movimiento, en teoría nunca dejarán de moverse. Este extraño estado de la materia es posible porque los quarks tienen afinidad por los otros quarks, y si se los empujara lo suficientemente cerca el uno del otro, formarían «pares Cooper», como los electrones en los materiales superconductores.

Un quark es un fermion, es decir, una partícula cuyo espín (momento cinético intrínseco) tiene, en las unidades apropiadas, un valor medio entero (1/2 o 3/2, 5/2, etc.). Un sistema de dos quarks se comporta como un bosón, una partícula giratoria completa (0, 1, etc.). Sin embargo, los fermiones y los bosones no siguen las mismas reglas. Los primeros cumplen con el principio de exclusión de Pauli de que dos fermiones idénticos no pueden estar en el mismo estado cuántico. Los bosones no están sujetos a tal restricción. Individualmente, los quarks de una estrella de neutrones se ven obligados a ocupar energías cada vez más altas para satisfacer tanto el principio de exclusión de Pauli como la abrumadora densidad. Pero combinados en pares para formar bosones, pueden permanecer en el estado de energía más bajo (la configuración preferida de cualquier sistema físico) y, sin embargo, acumularse. Y en este caso, los pares de quarks forman un superfluido.

Un corazón superfluo ?

Incluso fuera del corazón, en el núcleo externo, donde los neutrones aún estarían intactos, este último también podría emparejarse para formar un superfluido. De hecho, los científicos están casi seguros de que los neutrones se comportan así. La evidencia proviene de la observación de «glitchs» de púlsar, episodios donde la rotación de la estrella de neutrones se acelera repentinamente.

Los teóricos creen que estas fallas ocurren cuando la velocidad de rotación de la estrella en su conjunto queda fuera de sincronía para la rotación del superfluido debajo de la corteza. En general, la rotación de la estrella se ralentiza naturalmente con el tiempo porque la estrella pierde energía por la emisión de una radiación electromagnética y un viento estelar; por el contrario, el superfluido, que fluye sin fricción, no se ralentiza. La tensión mecánica generada por la diferencia de velocidad entre las dos capas almacena energía, que se libera repentinamente en forma de un momento cinético, que acelera la estrella. «Es como un terremoto», dice James Lattimer; tienes un hipo y una explosión de energía; La frecuencia de rotación aumenta brevemente antes de disminuir. «

En 2011, James Lattimer y sus colegas afirmaron haber encontrado signos de superfluo en el corazón de una estrella de neutrones, pero el investigador admite que el debate sigue abierto. Su equipo, dirigido por Dany Page, de la Universidad Nacional Autónoma de México, analizó datos de quince años de observación de rayos X de Cassiopée A, el vestigio de una supernova que se hizo visible a principios del siglo XVII. Los astrónomos han encontrado que el púlsar en el centro de la nebulosa se enfría más rápido de lo que sugiere la teoría.

Una explicación sería que al comienzo de la formación de superfluidos, muchos neutrones se emparejarían, pero que estos pares inestables a menudo se disociarían y reformarían. Esta actividad iría acompañada de una emisión importante de neutrinos al espacio. Estas partículas transportarían una gran cantidad de energía, de ahí el enfriamiento más rápido de lo esperado de la estrella. «Esto es algo que nunca imaginamos ver», comenta James Lattimer. Pero afortunadamente, esta estrella tiene la edad necesaria para ver este efecto. La confirmación llegará en unos cincuenta años si la estrella comienza a enfriarse más lentamente, porque una vez que se forma el superfluido, no queda exceso de energía para perder. «

Las estrellas de neutrones podrían albergar un superfluido en su núcleo externo e interno. También podrían albergar la llamada materia extraña porque contendría quarks s, o extraño (s para extraño en inglés).

Materia «extraña» ?

Hay seis tipos, o «sabores», de quarks: u, d, c, s, ty b. Solo los dos más ligeros, u y d se encuentran en los átomos. Los otros sabores son más masivos e inestables. Aparecen, por ejemplo, en colisiones de partículas de alta energía en colisiones como el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) de Cern, cerca de Ginebra. Pero en el interior muy denso de las estrellas de neutrones, los quarks u y d contenidos en los neutrones a veces se convierten en quarks s (los otros sabores son tan masivos que probablemente ni siquiera se formarían en estas condiciones extremas). Si aparecen quarks y permanecen vinculados a los otros quarks, esto producirá una exageración.

Finalmente, también es posible que estos quarks estén presentes en el plasma de quarks y gluones. Los experimentos en aceleradores de partículas nos permitirían saber más sobre las condiciones necesarias para la aparición de exageraciones, por ejemplo. En el caso del plasma de quarks y gluones, el experimento de Alice en LHC se dedica al estudio de este estado de la materia. Pero este plasma artificial se obtiene para una temperatura alta y una densidad muy baja, lejos de las condiciones del corazón de una estrella de neutrones, cuya temperatura es relativamente baja y la densidad alta. Los experimentos de colisión de iones pesados en Ganil, Caen, los aceleradores justos en Darmstadt, Alemania, o Nica, Dubna, Rusia, estarán más cerca de las condiciones de densidad de las estrellas de neutrones .

Otra forma de identificar la composición del corazón de una estrella de neutrones es notar que la estructura interna de la estrella afecta su tamaño. De hecho, en el caso de neutrones intactos dentro del corazón, estos actuarían «como canicas y constituirían un corazón duro y compacto», explica Zaven Arzoumanian. El núcleo compacto tenderá a repeler las capas externas y aumentar el tamaño de la estrella en su conjunto. Por el contrario, si los neutrones se disolvieran en una sopa de quark y gluón, la estrella sería más pequeña, «flexible y compresible». Es esta pista la que se explora con la experiencia de Nicer. «Uno de los objetivos principales es medir la masa y el radio (de la estrella de neutrones)», explica Zaven Arzoumanian, co-responsable y director científico de la experiencia de Nicer, que nos ayudará a eliminar ciertas teorías. «

Recrea materia de la estrella de neutrones de laboratorio

Las condiciones extremas que prevalecen en una estrella de neutrones son muy difíciles de reproducir en el laboratorio. La densidad más alta que la de los núcleos atómicos solo puede reproducirse durante colisiones entre núcleos pesados, que contienen muchos protones y neutrones (oro o plomo, por ejemplo). Varias colisiones tienen como objetivo acercarse lo más posible a las densidades típicas del corazón de las estrellas de neutrones, casi cinco veces la densidad de los núcleos atómicos.

La instalación de Spiral2, inaugurada en 2016 en Ganil (Gran Acelerador Nacional de Iones Pesados), en Caen, es un instrumento que puede colisionar núcleos exóticos que contienen más neutrones que núcleos naturales. El proyecto Nica, en construcción en Doubna, Rusia, y planeado para 2020, tiene como objetivo estudiar el plasma de quarks y gluones, y la transición entre el material nuclear y este plasma, gracias a las colisiones entre iones dorados . Finalmente, el proyecto Fair, cerca de Darmstadt, Alemania, planeado para 2025, alcanzará velocidades de iones más altas que las otras dos, por lo tanto, mayores densidades de energía.

Si estos experimentos nos brindan mucha información sobre el material en condiciones extremas, serán insuficientes para determinar la naturaleza exacta del material en las estrellas de neutrones. De hecho, las densidades alcanzadas estarán en el rango correcto, pero la violencia del choque entre los núcleos aumenta la temperatura, que es mucho más alta que las que prevalecen en estas estrellas. Luego, el material ultradense creado representa una pequeña cantidad en comparación con los 1030 kilogramos de una estrella de neutrones. Y su vida útil es muy efímera, mientras que una estrella de neutrones es estable durante al menos cientos de años, según estudios sobre púlsares. Finalmente, incluso en el caso de los núcleos exóticos de Ganil, estamos lejos de alcanzar la composición de las estrellas de neutrones, que es de alrededor de veinte neutrones para un protón. Tal relación puede tener un impacto significativo en las propiedades del material.

Sin embargo, los resultados serán interesantes y no debe olvidarse que representan solo una fracción de la actividad de investigación de estas instalaciones, donde estudiamos tanto las propiedades fundamentales de la materia como los materiales de ingeniería, química, biología o medicina.

Novak Jerome, Luth Laboratory, CNRS-Observatory of Paris

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El experimento de Nicer se presenta como una caja del tamaño de una lavadora instalada fuera de la Estación Espacial Internacional. Escanea docenas de púlsares extendidos por el cielo y detecta los fotones X que provienen de él. Al medir los tiempos de llegada y las energías de estos fotones, así como la forma en que el intenso campo gravitacional de estas estrellas distorsiona la trayectoria de los fotones, los investigadores calcularán la masa y el radio de los púlsares y podrán compararlos. . «Si Nicer encuentra estrellas de masas bastante cercanas pero de rayos muy diferentes, eso significaría que algo extraño está sucediendo», dice Mark Alford, como una transición de fase entre dos formas de materia, lo que reduciría la estrella. Tal transición podría ocurrir, por ejemplo, cuando los neutrones se descomponen en quarks y gluones.

La medición del tamaño de las estrellas de neutrones es útil para reducir el rango de formas que puede tomar la materia. Los especialistas han creído durante mucho tiempo que la mitad de los neutrones en una estrella de este tipo se convierten en exageración; Los cálculos teóricos sugirieron que una estrella de neutrones no podía exceder 1.5 masa solar. Pero en 2010, Paul Demorest, del Observatorio Americano de Radioastronomía en Virginia, descubrió una estrella de neutrones de 1.97 de masa solar, lo que contradecía la predicción original. Hoy en día, los físicos estiman que los hipones constituyen como máximo el 10% del contenido de una estrella de neutrones.

Observaciones nuevas y muy diferentes podrían enseñarnos aún más sobre las estrellas de neutrones. Durante años, los telescopios han detectado destellos de luz, conocidos como explosiones de rayos gamma, que los investigadores sospechan que resultan de colisiones entre dos estrellas de neutrones. Tal evento se confirmó el 17 de agosto de 2017: dos dispositivos, Ligo (observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser, instalado en el estado de Washington y Louisiana) y Virgo (cerca de Pisa, en Italia) detectaron simultáneamente ondas gravitacionales emitidas por un par de estrellas de neutrones en espiral alrededor del otro antes de colapsar violentamente y fusionarse.

Información por ondas gravitacionales

Hasta esa fecha, todas las ondas gravitacionales detectadas (la primera se registró en 2015) habían sido el resultado de la fusión de dos agujeros negros. Sin embargo, dicho proceso no emite radiación electromagnética, a diferencia de la coalescencia de dos estrellas de neutrones. El evento del 17 de agosto de 2017 es único en este momento, pero la detección de sus ondas gravitacionales y emisiones electromagnéticas por varios telescopios ha proporcionado una gran cantidad de información sobre cómo se desarrolló la colisión. Una bendición para estudiar la física de las estrellas de neutrones. «Estaba completamente impresionado», dice James Lattimer. «Pensé que era demasiado bueno para ser verdad. «

El análisis de señales mostró que el evento resultó de la colisión de un par de estrellas de neutrones ubicadas aproximadamente a 130 millones de años luz de la Tierra, cada una de aproximadamente 1.4 masa solar y radio entre 11 y 15 kilómetros antes de la colisión. Con estos datos, los científicos están refinando las restricciones en la ecuación de estado de las estrellas de neutrones. Esta ecuación, que debería aplicarse a todas las estrellas de neutrones en el Universo, describe la densidad de la materia en función de la presión y la temperatura en la estrella. Los teóricos han propuesto varias formas, correspondientes a las diferentes hipótesis sobre la naturaleza de la materia dentro de estas estrellas, y las nuevas medidas han sido una oportunidad para excluir algunas de ellas.

El radio estimado para las dos estrellas de neutrones detectadas por Ligo y Virgo es relativamente pequeño en comparación con su masa. Este resultado sorprendió a los astrofísicos, porque pone en dificultades ciertas teorías que describen estas estrellas. No es fácil incluir estrellas de neutrones compactas y muy masivas, como la de 1.98 masa solar, en la misma ecuación de estado. «Se vuelve complicado satisfacer todas las limitaciones de las observaciones con una ecuación de estado dada», señala Jocelyn Read, astrofísica de la Universidad Estatal de California en Fullerton, quien codirige el equipo de Ligo Extreme Matter. “Probar estrellas compactas, mientras explica estrellas masivas, se convierte en un desafío para la teoría. Es realmente interesante y podría ser aún más interesante. «

Hasta ahora, Ligo y Virgo solo han detectado esta única colisión de estrellas de neutrones, pero podría ocurrir otra observación similar en cualquier momento, ya que los dos complejos de detección acaban de reanudar su campaña de observación. «He estado trabajando en esta área durante bastante tiempo», dijo Jocelyn Read, «y es fantástico ir más allá de las ilusiones: ‘Y si pudiéramos ver ondas gravitacionales, podríamos hacer esto o aquello. Y si… Y si..Ahora finalmente tenemos la oportunidad de hacer lo que soñamos. «

Pistas dentro del rango de los detectores de mañana

Con la mejora gradual en la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales, los físicos esperan probar sus modelos aún más. Por ejemplo, Una de las formas de probar lo que hay dentro de una estrella de neutrones es observar las ondas gravitacionales emitidas por un posible líquido giratorio dentro de ella ; si el líquido tiene una viscosidad muy baja, o incluso cero (como un superfluido) fluirá de acuerdo con ciertas dietas, «modos r», donde se emiten ondas gravitacionales. «Estas ondas gravitacionales serían mucho más débiles que las de una colisión», dijo Mark Alford. «Es importante que caduque en silencio, en lugar de que la materia se desgarre. Este investigador y sus colegas han determinado que la versión Advanced Ligo, actualmente en servicio, no podrá detectar las ondas asociadas con los modos r. Pero las mejoras futuras a Ligo, así como a los observatorios planificados como el telescopio Einstein en discusión en Europa, pueden hacerlo.

Y gravitación ?

Revelar la estructura de las estrellas de neutrones nos daría una imagen casi completa de las formas que la materia puede tomar, desde las condiciones más comunes hasta las más extremas. Y comprender las estrellas de neutrones tendría un beneficio adicional: estudiar estas estrellas ciertamente permite sondear las interacciones nucleares, pero ofrecen la posibilidad de comprender mejor la interacción enigmática que es la gravitación.

Las estrellas de neutrones no son el único medio utilizado para estudiar las interacciones nucleares. En todo el mundo, se están realizando experimentos en aceleradores de partículas, que funcionan como microscopios para analizar el interior del núcleo atómico. «Las estrellas Nutron son una mezcla de física gravitacional y física nuclear», dijo Or Hen, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts. “Por el momento, estamos usando estrellas de neutrones como laboratorio para comprender la física nuclear. Pero dado que tenemos acceso a los núcleos aquí en la Tierra, eventualmente deberíamos poder circunscribir el aspecto nuclear del problema bastante bien. Entonces podemos usar las estrellas de neutrones para comprender la gravitación, que es uno de los mayores desafíos de la física. «

La gravitación tal como la entendemos actualmente (gracias a la teoría de la relatividad general de Einstein) no se mezcla bien con la teoría de la física cuántica. En última instancia, será necesario repensar una u otra, incluso las dos teorías, pero nadie sabe qué camino es bueno a pesar de muchos intentos. «Pero llegaremos allí», concluye Or Hen, «y esa es una perspectiva absolutamente emocionante. «

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