cuando una estrella masiva muere en una supernova, la explosión es solo el principio del fin. La mayor parte de la materia estelar es arrojada a lo largo y ancho, pero el corazón lleno de hierro de la estrella permanece atrás. Este núcleo contiene tanta masa como dos soles y se reduce rápidamente a una esfera que abarcaría la longitud de Manhattan. Aplastando la presión interna-suficiente para exprimir el monte Everest al tamaño de un terrón de azúcar — fusiona protones y electrones subatómicos en neutrones.
Los astrónomos saben mucho sobre cómo nacen las estrellas de neutrones., Sin embargo, exactamente lo que sucede después, dentro de estos núcleos ultra densos, sigue siendo un misterio. Algunos investigadores teorizan que los neutrones podrían dominar todo el camino hasta el centro. Otros hipotetizan que la increíble presión compacta el material en partículas más exóticas o estados que aplastan y deforman de maneras inusuales.
ahora, después de décadas de especulación, los investigadores se están acercando a resolver el enigma, en parte gracias a un instrumento en la Estación Espacial Internacional llamado Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).,
en diciembre pasado, este observatorio espacial de la NASA proporcionó a los astrónomos algunas de las mediciones más precisas jamás realizadas de la masa y el radio de una estrella de neutrón1,2, así como hallazgos inesperados sobre su campo magnético1,3. El equipo de NICER planea publicar resultados sobre más estrellas en los próximos meses. Otros datos están llegando de observatorios de ondas gravitacionales, que pueden ver estrellas de neutrones contorsionarse mientras chocan juntas. Con estas observaciones combinadas, los investigadores están preparados para concentrarse en lo que llena las entrañas de una estrella de neutrones.,
para muchos en el campo, estos resultados marcan un punto de inflexión en el estudio de algunos de los objetos más desconcertantes del Universo. «Esta está comenzando a ser una edad de oro de la física de estrellas de neutrones», dice Jürgen Schaffner-Bielich, físico teórico de la Universidad Goethe en Frankfurt, Alemania.
lanzado en 2017 a bordo de un cohete SpaceX Falcon 9, el telescopio NICER, de 62 millones de dólares, se encuentra fuera de la estación espacial y recoge rayos X procedentes de estrellas de neutrones que giran púlsares que irradian partículas cargadas y energía en enormes columnas que se desplazan como haces desde un faro., Los rayos X se originan en puntos calientes de millones de grados en la superficie de un púlsar, donde un poderoso campo magnético arranca las partículas cargadas del exterior y las golpea hacia abajo en el polo magnético opuesto.
NICER detecta estos rayos X utilizando 56 telescopios recubiertos de oro, y marca su llegada a 100 nanosegundos. Con esta capacidad, los investigadores pueden rastrear con precisión los puntos calientes a medida que una estrella de neutrones se mueve hasta 1.000 veces por segundo. Los puntos de acceso son visibles a medida que se balancean a través del objeto., Pero las estrellas de neutrones deforman el espacio-tiempo tan fuertemente que NICER también detecta la luz de los puntos calientes que se enfrentan lejos de la Tierra. La teoría general de la relatividad de Einstein proporciona una forma de calcular la relación masa-radio de una estrella a través de la cantidad de flexión de la luz. Esa y otras observaciones permiten a los astrofísicos determinar las masas y radios de las estrellas fallecidas. Esas dos propiedades podrían ayudar a determinar lo que está sucediendo en los núcleos.
misterio profundo y oscuro
Las estrellas de neutrones se complican más cuanto más se profundiza., Debajo de una atmósfera delgada hecha principalmente de hidrógeno y helio, se cree que los restos estelares cuentan con una corteza exterior de solo un centímetro o dos de espesor que contiene núcleos atómicos y electrones que vagan libremente. Los investigadores piensan que los elementos ionizados se empaquetan juntos en la siguiente capa, creando una red en la corteza interna. Aún más abajo, la presión es tan intensa que casi todos los protones se combinan con electrones para convertirse en neutrones, pero lo que ocurre más allá de eso es turbio en el mejor de los casos (ver ‘materia densa’).,
«una cosa Es conocer los ingredientes», dice Jocelyn Leer, un astrofísico de la Universidad Estatal de California, Fullerton. «Es otro entender la receta, y cómo esos ingredientes van a interactuar entre sí.»
Los físicos tienen alguna idea de lo que sucede, gracias a los aceleradores de partículas en la Tierra., En instalaciones como el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, y el Gran Colisionador de Hadrones del CERN cerca de Ginebra, Suiza, los investigadores han roto iones pesados, como los de plomo y oro, para crear breves colecciones de material monumentalmente Denso. Pero estos experimentos cinéticos generan destellos de mil millones o incluso billones de grados, en los que protones y neutrones se disuelven en una sopa de sus quarks y gluones constituyentes. Los instrumentos terrestres tienen dificultades para sondear las condiciones relativamente suaves de millones de grados dentro de las estrellas de neutrones.,
Hay múltiples ideas sobre lo que podría ocurrir. Podría ser que los quarks y los gluones deambulen libremente. O, las energías extremas podrían conducir a la creación de partículas llamadas hiperones. Al igual que los neutrones, estas partículas contienen tres quarks. Pero mientras que los neutrones contienen los quarks más básicos y de menor energía, conocidos como quarks arriba y abajo, un hiperón tiene al menos uno de ellos reemplazado por un quark exótico «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 una sola entidad cuántica-mecánica., Y los teóricos también han ideado perspectivas aún más extravagantes.
crucialmente, cada posibilidad empujaría hacia atrás 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 condensado de Bose-Einstein, por ejemplo, es probable que tenga un radio más pequeño que uno hecho de material ordinario como neutrones. Uno con un núcleo hecho de materia hiperón Flexible podría tener un radio más pequeño todavía.,
«Los tipos de partículas y las fuerzas entre ellas afectan la suavidad o el aplastamiento del material», dice Anna Watts, un miembro más amable del equipo de la Universidad de Amsterdam.
diferenciar entre los modelos requerirá mediciones precisas del tamaño y la masa de las estrellas de neutrones, pero los investigadores aún no han sido capaces de empujar sus técnicas a niveles lo suficientemente finos como para decir qué posibilidad es más probable. Por lo general, estiman las masas mediante la observación de estrellas de neutrones en pares binarios., A medida que los objetos orbitan entre sí, tiran gravitacionalmente unos sobre otros, y los astrónomos pueden usar esto para determinar sus masas. Aproximadamente 35 estrellas han tenido sus masas medidas de esta manera, aunque las cifras pueden contener barras de error de hasta una masa solar. A una docena de ellos también se les han calculado sus radios, pero en muchos casos, las técnicas no pueden determinar este valor mejor que unos pocos kilómetros, hasta una quinta parte del tamaño de una estrella de neutrones.,
el método hotspot de NICER ha sido utilizado por el Observatorio de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, que se lanzó en 1999 y todavía está en funcionamiento. NICER es cuatro veces más sensible y tiene cientos de veces mejor resolución de tiempo que el XMM-Newton. Durante los próximos dos o tres años, el equipo espera poder utilizar NICER para calcular las masas y los radios de otra media docena de objetivos, fijando sus radios a medio kilómetro., Con esta precisión, el grupo estará bien situado para comenzar a trazar lo que se conoce como la ecuación de estado neutrón-estrella, que relaciona la masa con el radio o, equivalentemente, la presión interna con la densidad.
si los científicos son particularmente afortunados y la naturaleza ofrece datos especialmente buenos, NICER podría ayudar a eliminar ciertas versiones de esta ecuación. Pero la mayoría de los físicos piensan que, por sí solo, el Observatorio probablemente reducirá en lugar de descartar por completo los modelos de lo que sucede en los núcleos de los objetos misteriosos.,
«Esto sería un gran avance en donde estamos ahora», dice Watts.
líneas de campo
el primer objetivo de NICER fue J0030+0451, un púlsar aislado que gira aproximadamente 200 veces por segundo y está a 337 pársecs (1.100 años luz) de la Tierra, en la constelación de Piscis.
dos grupos-uno basado principalmente en la Universidad de Amsterdam1 y otro dirigido por investigadores de la Universidad de Maryland En College Park2 — tamizaron por separado a través de 850 horas de observaciones, que sirven como controles entre sí.,
los Hotspots giran en dos escenarios para el pulsar J0030+0451, basado en el análisis de datos más agradables.Crédito: NASA Goddard Space Flight Center/CI Lab
debido a que las curvas de luz de hotspot son tan complejas, los grupos necesitan SUPERCOMPUTADORAS para modelar varias configuraciones y determinar cuáles se ajustan mejor a los datos. Pero ambos llegaron con resultados similares, encontrando que J0030 tiene una masa que es 1.3 o 1.4 veces la del sol, y un radio de aproximadamente 13 kilómetros.,
esos resultados no son definitivos: podrían usarse para apoyar las predicciones mundanas o de otro mundo para lo que está dentro de las entrañas de las estrellas de neutrones. «Todavía no se requiere nada funky, loco o exótico», dice Andrew Steiner, astrofísico nuclear de la Universidad de Tennessee, Knoxville.
Los investigadores tuvieron una sorpresa más grande con los hallazgos sobre la forma y la posición de los puntos de acceso., La visión canónica de las estrellas de neutrones tiene sus líneas de campo magnético parecidas a las que rodean una barra magnética, con los lados norte y sur emergiendo de puntos circulares en los extremos opuestos de la estrella. Por el contrario, las simulaciones de SUPERCOMPUTADORAS Holandesas implicaron que ambos puntos calientes de J0030 están en su hemisferio sur, y que uno de ellos es largo y en forma de medial1. El equipo de Maryland también propuso la posibilidad de una solución de tres puntos de acceso: dos de forma ovalada del Sur y un círculo final cerca del Polo Sur rotativo3.,
«parece que podrían haber hecho la primera detección real de un púlsar donde los haces no están separados 180 grados», dice Natalie Webb, astrofísica del Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología de Toulouse, Francia, que ha modelado tales posibilidades. «Eso es fantástico si es verdad.»
los resultados reforzarían observaciones anteriores y teorías que sugieren que los campos magnéticos de las estrellas de neutrones, que son un billón de veces más fuertes que los del sol, pueden ser más complejos de lo que generalmente se supone., Después de que se forman por primera vez, se cree que los púlsares ralentizan su rotación durante millones de años. Pero si tienen una estrella compañera orbitando alrededor de ellos, podrían robar material y Momento angular de esta pareja, aumentando su giro a velocidades súper rápidas. A medida que la materia se deposita en el exterior de la estrella, algunos teóricos sugieren que podría afectar a una capa similar a un fluido de neutrones subsuperficiales, generando vórtices gigantescos que tuercen el campo magnético de la estrella de neutrones en arreglos extraños., El compañero puede ser consumido o perder tanta masa que se convierte en gravitacionalmente independiente y vuela, como podría haber sido el caso con el ahora solitario J0030.
trabajo en progreso
NICER continúa observando J0030 para mejorar aún más la precisión de sus mediciones de radio. Al mismo tiempo, el equipo está comenzando a analizar los datos de un segundo objetivo, un púlsar ligeramente más pesado con un compañero enano blanco., Otros astrónomos han utilizado observaciones de la danza orbital de este par para determinar la masa del púlsar, lo que significa que los investigadores más agradables tienen una medición independiente que pueden usar para validar sus hallazgos.
NICER, que recoge rayos X utilizando 56 telescopios recubiertos de oro, está instalado en el exterior de la Estación Espacial Internacional.,Crédito: NASA
entre los objetivos de NICER, el equipo planea incluir al menos un par de púlsares de alta masa, incluido el actual poseedor del récord de la estrella de neutrones más masiva, un gigante con una masa 2.14 veces La Del Sol. Eso debería permitir a los investigadores sondear un límite superior: el punto en el que una estrella de neutrones colapsa en un agujero negro. Incluso el objeto de masa solar 2.14 es un desafío para los teóricos de explicar. Varios investigadores también han sugerido que NICER podría ser capaz de encontrar dos estrellas de neutrones con la misma masa pero radios diferentes., Eso sugeriría la presencia de un punto de Transición, En el que ligeras diferencias crean dos núcleos distintos. Uno podría contener principalmente neutrones, por ejemplo, y el otro podría estar compuesto de material más exótico.
aunque NICER está a la vanguardia, no es el único instrumento que plomiza las profundidades de los púlsares. En 2017, El laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) de Estados Unidos, junto con el detector Virgo en Italia, captó la señal de dos estrellas de neutrones que se estrellaban y se fusionaban 4., A medida que los objetos giraban uno alrededor del otro antes del accidente, emitían ondas gravitacionales que contenían información sobre el tamaño y la estructura de las estrellas. La colosal influencia gravitacional de cada estrella tiró y deformó a su pareja, contorsionando ambas esferas en formas de lágrima. La cantidad de distorsión en esos momentos finales da a los físicos pistas sobre la maleabilidad del material dentro de las estrellas de neutrones.
Las instalaciones de LIGO en Livingston, Louisiana, recogieron un segundo choque de estrellas de neutrones en abril pasado, y más eventos podrían ser vistos en cualquier momento., Hasta ahora, las dos fusiones solo han insinuado las propiedades de los interiores de estrellas de neutrones, lo que sugiere que no son particularmente deformables. Pero la generación actual de instalaciones no puede observar los momentos finales cruciales, cuando la deformación sería mayor y mostraría las condiciones internas con mayor claridad.
Se espera que el detector de ondas gravitacionales Kamioka en Hida, Japón, esté en línea a finales de este año, y la iniciativa India en observaciones de ondas gravitacionales cerca de Aundha Naganath, Marathwada, en 2024., En combinación con LIGO y Virgo, mejorarán la sensibilidad, incluso capturando los detalles de los momentos previos a un accidente.
mirando más hacia el futuro, varios instrumentos planificados podrían hacer observaciones que eluden los observatorios de ondas gravitacionales más agradables y actuales. Se espera que un satélite chino–europeo llamado enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, o eXTP, se lance en 2027 y estudie estrellas de neutrones aisladas y binarias para ayudar a determinar su ecuación de estado., Los investigadores también han propuesto una misión espacial que podría volar en la década de 2030 llamada El Observatorio espectroscópico de resolución de tiempo para rayos X de energía de banda ancha, o STROBE-X. utilizaría la técnica hotspot de NICER, fijando las masas y radios de al menos 20 estrellas de neutrones más con aún más precisión.
los corazones de las estrellas de neutrones probablemente siempre conservarán algunos secretos. Pero los físicos ahora parecen estar bien situados para comenzar a pelar las capas., Read, que es miembro del equipo de LIGO, dice que ha colaborado en un proyecto para imaginar qué cuestiones científicas los detectores de ondas gravitacionales serían capaces de abordar en las décadas de 2030 y 2040. en el proceso, se dio cuenta de que el panorama para la investigación de estrellas de neutrones-en particular, la cuestión de la ecuación de estado-debería ser muy diferente para entonces.
«ha sido este rompecabezas de larga data que crees que siempre estará ahí», dice. «Ahora estamos en un punto en el que puedo ver a la comunidad científica descifrando el rompecabezas de la estructura de las estrellas de neutrones en esta década.
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