Las ondas gravitacionales hacen su magia: estamos m谩s cerca de desvelar los enigmas de las estrellas de neutrones

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  • En estas estrellas la materia ordinaria ha degenerado para dar lugar a un enorme cristal de neutrones
  • Las ondas gravitacionales son una herramienta esencial para estudiar la materia ultradensa

Las聽estrellas de neutrones聽son unos de los escas铆simos objetos del cosmos capaces de disputar su protagonismo a los聽agujeros negros. Y lo son debido a que las propiedades que han desentra帽ado los astrof铆sicos hasta ahora para caracterizarlas son asombrosas. Su formaci贸n sucede a la expulsi贸n hacia el medio estelar de las capas externas de algunas estrellas, aunque solo si el objeto resultante tiene m谩s de 1,44 masas solares, un valor conocido como聽l铆mite de Chandrasekhar聽en honor del astrof铆sico indio que lo calcul贸, el remanente estelar colapsar谩 una vez m谩s para dar lugar a una estrella de neutrones.

Unos instantes antes de que se produzca la supernova el n煤cleo de hierro de聽las estrellas masivas聽se ve sometido a la enorme presi贸n de las capas superiores de material, y tambi茅n a la acci贸n incesante de la contracci贸n gravitacional. Estos procesos desencadenan un mecanismo de naturaleza cu谩ntica que conlleva cambios muy importantes en la estructura de la materia, provocando que el hierro del n煤cleo estelar, que est谩 sometido a una temperatura muy alta, se fotodesintegre bajo la acci贸n de los fotones de alta energ铆a, que constituyen una forma de transferencia de energ铆a conocida como聽radiaci贸n gamma.

Estos fotones de alt铆sima energ铆a consiguen desintegrar el hierro y el helio acumulados en el n煤cleo de la estrella, dando lugar a la producci贸n de part铆culas alfa, que son n煤cleos de helio que carecen de su envoltura de electrones, y que, por tanto, tienen carga el茅ctrica positiva, y neutrones. Adem谩s tiene lugar un mecanismo conocido como聽captura beta聽en el que no vamos a indagar para no complicar excesivamente el art铆culo. Lo importante es que sepamos que provoca que los electrones de los 谩tomos de hierro interaccionen con los protones del n煤cleo, neutralizando su carga positiva y dando lugar a la producci贸n de m谩s neutrones

Las ondas gravitacionales transportan informaci贸n acerca del evento que las origin贸

Durante la formaci贸n de las estrellas de neutrones la materia inicial, que estaba constituida por protones, neutrones y electrones, pasa a estar conformada 煤nicamente por neutrones porque, como acabamos de ver, los electrones y los protones han interaccionado mediante captura electr贸nica para dar lugar a m谩s neutrones. A partir de ese momento la estrella ya no est谩 constituida por materia ordinaria; se ha transformado en una especie de enorme cristal conformado solo por neutrones.

No obstante, una vez que la estrella ha alcanzado este estado podemos preguntarnos qu茅 mecanismo permite que esa bola de neutrones consiga soportar y contrarrestar la presi贸n ejercida por la infatigable contracci贸n gravitacional. El fen贸meno responsable de mantener la estrella de neutrones en equilibrio es el聽principio de exclusi贸n de Pauli, un efecto de naturaleza cu谩ntica en el que no es necesario que nos sumerjamos a fondo para evitar complicar mucho m谩s el art铆culo.

Un fragmento de un cent铆metro c煤bico de una estrella de neutrones pesa aproximadamente mil millones de toneladas

Muy a grandes rasgos este principio, que fue enunciado por el f铆sico austr铆aco Wolfgang Ernst Pauli en 1925, establece que dos fermiones de un mismo sistema cu谩ntico no pueden permanecer en el mismo estado cu谩ntico. Los quarks, que son las part铆culas elementales que constituyen los protones y los neutrones del n煤cleo at贸mico, son fermiones. Y los electrones, tambi茅n. Para aproximar de una forma sencilla qu茅 significa que dos fermiones no puedan adquirir el mismo estado cu谩ntico y entender de d贸nde procede el equilibrio de las estrellas de neutrones podemos intuir que la imposibilidad de que dos neutrones ocupen el mismo lugar genera la presi贸n necesaria para mantener la estrella en equilibrio.

Y esto nos lleva a la que sin duda es la caracter铆stica m谩s sorprendente de las estrellas de neutrones: su densidad. El radio medio de uno de estos objetos es de aproximadamente diez kil贸metros, pero su masa es enorme. Comparadas, por ejemplo, con las estrellas que se encuentran en la secuencia principal, o, incluso, con las enanas blancas, las estrellas de neutrones son muy peque帽as, y acumular tanta masa en tan poco espacio provoca que un fragmento de un cent铆metro c煤bico de una estrella de neutrones pese aproximadamente, ni m谩s ni menos,聽mil millones de toneladas. Es asombroso que un pedacito de materia similar a un terr贸n de az煤car pueda tener un peso tan monstruoso.

Y llegamos, por fin, a las segundas protagonistas de este art铆culo: las ondas gravitatorias o gravitacionales. Estas perturbaciones generadas por los objetos masivos que est谩n sometidos a una cierta aceleraci贸n se propagan a trav茅s del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz bajo la forma de unas ondas, que, en determinadas condiciones, los cient铆ficos son capaces de detectar. Su propiedad m谩s importante consiste en que transportan informaci贸n acerca del evento c贸smico que las origin贸.

La pr贸xima generaci贸n de interfer贸metros persigue permitir a los astrof铆sicos conocer mejor las estrellas de neutrones, entre otros objetivos

La sensibilidad de los interfer贸metros que utilizamos actualmente para identificarlas requiere que estas perturbaciones hayan sido originadas por eventos de una gran magnitud, como, por ejemplo,聽la colisi贸n de dos agujeros negros. O de聽dos estrellas de neutrones. Este es el tipo de cataclismos c贸smicos que actualmente podemos identificar a trav茅s de las perturbaciones que introducen en el tejido del espacio-tiempo. No obstante, los astrof铆sicos tienen otra herramienta a su disposici贸n para estudiar las estrellas de neutrones y predecir su comportamiento: las simulaciones de alta resoluci贸n ejecutadas en un superordenador.

Precisamente un equipo de investigadores ha publicado un interesant铆simo art铆culo en la revista聽The Astrophysical Journal Letters聽en el que explica qu茅 procedimiento ha utilizado para simular la colisi贸n de dos estrellas de neutrones y los efectos t茅rmicos de este violento fen贸meno en el objeto resultante. Tambi茅n ha predicho c贸mo ser铆an las ondas gravitacionales que desencadenar铆a esta colisi贸n, y lo m谩s sorprendente es que han identificado una fuerte dependencia entre la temperatura del objeto remanente de la colisi贸n y la frecuencia de las ondas gravitatorias.

Los interfer贸metros m谩s avanzados disponibles actualmente, como聽LIGO, no tienen la sensibilidad necesaria para recoger las ondas gravitacionales instigadas por algunos de estos violentos fen贸menos c贸smicos. Aun as铆, con toda probabilidad聽la siguiente generaci贸n聽de estos ingeniosos dispositivos permitir谩 a los astrof铆sicos estudiar eventos como el que han simulado estos investigadores. Y con una herramienta tan poderosa en sus manos tendr谩n la oportunidad de conocer mejor c贸mo se comporta la materia ultradensa de las estrellas de neutrones, algo que es imposible llevar a cabo en la Tierra. No cabe duda de que el esfuerzo que es necesario realizar para identificar ondas gravitacionales merece la pena.

Fuente: Xataka


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