Uno de los ojetos más insólitos y fascinantes decubiertos en el Universo son las estrellas de neutrones. Vienen en una variedad de objetos, tales como pulsares, magnetares, pulsares de rayos X…
Aunque últimamente parecen estar más de moda sus parientes los agujeros negros, las estrellas de neutrones presentan sus propios enigmas y particularidades que las hacen objetos definitivamente únicos.
¿Qué son las estrellas de neutrones?
Se trata de estrellas muertas, que han colpasado bajo el peso de su propia gravedad, convirtiéndose en los objetos más densos conocidos en el Universo.
Una estrella de neutrones se forma cuando una estrella masiva (de entre 1 y 3 veces la masa del Sol) se queda sin combustible y ya no puede producir reacciones nucleares en su interior. Estas reacciones nucleares son las que contrarrestan la fuerza de gravedad y, al desaparecer o debilitarse, la estrella colapsa.
En ese colapso, la región central de la estrella, el núcleo, aplasta cada protón y electrón en un neutrón. Si el núcleo de la estrella que colapsa tiene entre 1 y 3 masas solares, estos neutrones recién creados pueden detener el colapso, formando una estrella de neutrones. Las estrellas con masas más altas continuarán colapsando en agujeros negros de masa estelar.
Una estrella de neutrones es el objeto más denso conocido: con la masa de un sol comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Estos restos estelares miden unos 20 kilómetros de ancho. Un terrón de azúcar de material de estrella de neutrones pesaría alrededor de 1.000 millones de toneladas en la Tierra. Es como comprimir el monte Everest en ese terrón de azúcar.
¿Cuál es su estructura?
Debajo de una delgada atmósfera compuesta principalmente de hidrógeno y helio, se cree que las estrellas de neutrones cuentan con una corteza exterior de solo uno o dos centímetros de espesor que contiene núcleos atómicos y electrones que viajan libremente.
Se cree que los elementos ionizados se juntan en la siguiente capa, creando una red en la corteza interna. Más abajo aún, la presión es tan intensa que casi todos los protones se combinan con electrones para convertirse en neutrones. Pero lo que ocurre más allá es descoocido.
En la ilustración de arriba se muestra la estructura de una estrella de neutrones.
- Atmósfera: principalmente de hidrógeno y helio
- Corteza externa: núcleos atómicos y electrones libres
- Corteza interna: neutrones y electrones libres. Núcleos atómicos más pesados
- Núcleo externo: líquido cuántico rico en neutrones
- Núcleo interno: materia ultradensa desconocida.
Hay múltiples ideas sobre lo que podría ocurrir en el núcleo interno de una estrella de neutrones. La infografía de abajo muestra tres de estos escenarios.
Cada posibilidad empujaría de una manera característica contra la colosal gravedad de una estrella de neutrones. Generarían diferentes presiones internas y por lo tanto un radio mayor o menor para una masa dada. Una estrella de neutrones con un centro de condensación de Bose-Einstein, por ejemplo, probablemente tenga un radio más pequeño que una hecha de material ordinario como los neutrones. Uno con un núcleo hecho de materia flexible de hiperón podría tener un radio aún más pequeño.
La diferenciación entre los modelos requerirá mediciones precisas del tamaño y la masa de las estrellas de neutrones.
Púlsares
La mayoría de las estrellas de neutrones se observan como púlsares. Los púlsares son estrellas de neutrones en rotación que se observan como teniendo «pulsos» de radiación a intervalos muy regulares que suelen oscilar entre milisegundos y segundos.
Los púlsares tienen campos magnéticos muy fuertes que canalizan chorros de partículas a lo largo de los dos polos magnéticos. Estas partículas aceleradas producen haces de luz muy potentes. A menudo, el campo magnético no está alineado con el eje de giro, por lo que esos haces de partículas y luz son barridos a medida que la estrella gira. Cuando el rayo cruza nuestra línea de visión, vemos un pulso; en otras palabras, vemos que los púlsares se encienden y apagan a medida que el rayo barre la Tierra.
Una forma de pensar en un púlsar es como un faro. Por la noche, un faro emite un haz de luz que barre el cielo. Aunque la luz brilla constantemente, solo ves el rayo cuando apunta directamente en tu dirección.
La mayoría de los pulsares son descubiertos por sus señales de radio. Las estrellas de neutrones en acreción en sistemas binarios se observan principalmente en rayos X. Los magnetares se observan tanto en rayos X como en rayos gamma. Sin observaciones de longitudes de onda múltiples, no conoceríamos tantas estrellas de neutrones como sabemos actualmente.
Pulsares de rayos X
Las estrellas de neutrones, al igual que las estrellas, se pueden encontrar solas o en sistemas binarios con un compañero.
Si una estrella de neutrones está en un sistema binario cercano con una estrella «normal», el poderoso campo gravitatorio de la estrella de neutrones puede extraer material de la superficie de la estrella normal. A medida que este material gira en espiral alrededor de la estrella de neutrones, es canalizado por el campo magnético hacia los polos magnéticos de la estrella de neutrones.
En el proceso, el material se calienta hasta lo suficiente como para irradiar rayos X. A medida que la estrella de neutrones gira, estas regiones calientes pasan a través de la línea de visión de la Tierra y los telescopios de rayos X las ven como púlsares de rayos X.
Debido a que la atracción gravitatoria sobre el material es la fuente básica de energía para esta emisión, a menudo se les llama «púlsares de acreción«.
Un nuevo tipo de pulsar de rayox X de acreción ultrarápido acaba de ser descubierto (junio 2022) desde un instrumento a bordo de la Estación Espacila Internacional especializacoo en el estudio de estrellas de neutrones. El nuevo objeto, llamado MAXI J1816-195, tiene un perido de rotación de 528,6 veces por segundo.
Magnetares
Otro tipo de estrella de neutrones se llama magnetar. En una estrella de neutronestípica el campo magnético es billones de veces mayor que el campo magnético de la Tierra; sin embargo, en una magnetar, el campo magnético es otras 1.000 veces más poderoso .
En todas las estrellas de neutrones, la corteza de la estrella está unida al campo magnético, de modo que cualquier cambio en una afecta a la otra. La corteza está bajo una inmensa cantidad de tensión y un pequeño movimiento de la corteza puede ser explosivo. Pero dado que la corteza y el campo magnético están vinculados, esa explosión se propaga a través del campo magnético.
En una magnetar, con su enorme campo magnético, los movimientos en la corteza hacen que la estrella de neutrones libere una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética. Un magnetar llamado SGR 1806-20 tuvo un estallido donde en una décima de segundo liberó más energía que la que el sol ha emitido en los últimos 100,000 años.
En 2004, los satélites que orbitaban la Tierra detectaron un enorme estallido de radiación de rayos X, tanto que quedaron cegados por la explosión. Incluso la atmósfera exterior de la Tierra fue parcialmente ionizada por este evento. Su origen se identificó en un terremoto estelar en el magnetar SGR1806-20. Este magnetar estaba a aproximadamente 50 000 años luz de distancia.
Los magnetares son comparativamente raros, constituyendo solo el 10% de todas las estrellas de neutrones. El campo magnético de una magnetar es tan fuerte que puede distorsionar la forma de los átomos. Es por eso que podemos considerar que un magnetar es demasiado inestable para sobrevivir por mucho tiempo.
El campo magnético ralentiza el giro de la estrella, lo que eventualmente conduce a su desaparición. Los magnetares están condenados a morir rápidamente, dentro de unos 10.000 años.
Colisión entre estrellas de neutrones binarias
Como vimos, si una estrella de neutrones forma un sistema binario con otra estrella, puede acretar material de la estrella «normal» y producir un pulsar de rayos X. Pero a veces, dos estrellas de neutrones componen un sistema binario.
Cuando dos estrellas de neutrones se orbitan muy de cerca, gradualmente giran hacia adentro acercándose cada vez más, hasta la colisión inevitable. Tal colisión produce una gigantesca explosión conosida como kilonova.
Cuando las dos estrellas de neutrones se encuentran, su fusión conduce a la formación de una estrella de neutrones más masiva o a un agujero negro, dependiendo de si la masa del remanente excede ciertto límite .
La fusión también puede crear un campo magnético que es billones de veces más fuerte que el de la Tierra en cuestión de uno o dos milisegundos.
Hoy se sabe que las kilonovas son el orígen de los elementos pesados, como el oro y el platino.
Colision agujero negro y estrella de neutrones
En un lapso de 10 días, durante enero de 2020, los astrofísicos han detectaron no una, sino dos colisiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro.
Según Susan Scott, física teórica de la Universidad Nacional de Australia y coautora del estudio: «Cada colisión no es solo la unión de dos objetos masivos y densos. Es realmente […] un agujero negro tragándose por completo a su estrella de neutrones compañera».
En la primera colisión, que se detectó el 5 de enero de 2020, un agujero negro de seis veces y media la masa de nuestro Sol se estrelló contra una estrella de neutrones que era 1,5 veces más masiva que nuestra estrella madre.
En la segunda colisión, detectada solo 10 días después, un agujero negro de 10 masas solares se fusionó con una estrella de neutrones de dos masas solares.
Cuando objetos tan masivos como estos chocan, crean ondas en el tejido del espacio llamadas ondas gravitacionales. Y son estas ondas las que los investigadores han detectado.
De acuerdo con las teorías actuales y observaciones anteriores, las estrellas de neutrones tienden a formar conjuntos binarios con otras estrellas de neutrones y a colisionar con ellas. Y lo mismo debería ocurrir con los agujeros negros.
Con estas observaciones, por otra parte, la balanza puede inclinarse hacia otro conjunto de teorías, que asumen que los agujeros negros y las estrellas de neutrones se encuentran uno al lado del otro. Estas teorías alternativas implican que las estrellas y las galaxias se formaron de maneras diferentes a la imagen que presentan las visiones estándar de cómo se formó el cosmos.
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