La materia dentro de las estrellas de neutrones es menos comprimible de lo que se pensaba. Una colaboración global, liderada por (entre otros) Anna Watts de la Universidad de Amsterdam, ha llegado a esta conclusión después de usar el Explorador de Composición Interior de Estrellas de Neutrones (NICER) de la NASA para determinar el tamaño y la masa de la estrella de neutrones más masiva conocida: PSR J0740 +6620.
NICER es un telescopio de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional. Los resultados han sido aceptados para su publicación en Astrophysical Journal Letters.
Al final de sus vidas, el combustible en los núcleos de las estrellas masivas se agota y colapsan por su propio peso antes de explotar como una supernova. Las estrellas más masivas permanecen como agujeros negros, las otras se convierten en estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones son objetos extremos: tienen más masa que el sol con un diámetro de solo varias decenas de kilómetros. Pero, ¿qué forma toma la materia en el núcleo interno, donde la densidad es extremadamente alta?
Una representación de los patrones de superficie de PSR J0740 + 6620. Crédito de la imagen: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.
El púlsar investigado PSR J0740 + 6620 (J0740 para abreviar) se encuentra a más de 3.000 años luz de distancia hacia la constelación de la jirafa. Es un sistema estelar binario con una enana blanca, el remanente de enfriamiento de una estrella similar al Sol, y gira 346 veces por segundo sobre su propio eje. Se estima que su masa es 2,1 veces la masa de nuestro Sol.
¿Neutrones o quarks?
En los modelos tradicionales de una estrella de neutrones típica, una estrella de aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol, los físicos esperan que el núcleo interno esté mayormente lleno de neutrones. La menor densidad mantiene a los neutrones lo suficientemente separados como para permanecer intactos, y esta rigidez interna da como resultado una estrella más grande.
En estrellas de neutrones más masivas como J0740, la densidad del núcleo interno es mucho mayor, lo que acerca a los neutrones. No está claro si los neutrones pueden permanecer intactos en estas condiciones o si se desintegran en quarks. Los teóricos sospechan que la presión los está haciendo añicos, pero quedan muchas preguntas sobre los detalles. Para obtener respuestas, los científicos necesitan una medición precisa del tamaño de una estrella de neutrones masiva.
Púlsares
Para medir sus dimensiones precisas, NICER observa estrellas de neutrones que giran rápidamente: púlsares, descubiertos en 1967 por Jocelyn Bell Burnell. Los púlsares tienen puntos calientes en su superficie que emiten rayos X brillantes. A medida que el púlsar gira, estos puntos aparecen y desaparecen de la vista, como los rayos de un faro, produciendo variaciones regulares en el brillo de los rayos X.
Pero los púlsares también son tan densos que su gravedad curva el espacio-tiempo cercano, como una bola de boliche apoyada en un trampolín. La misma masa en un paquete más pequeño provoca una mayor deformación. Esa distorsión es tan fuerte que la luz del otro lado de la estrella puede ser redirigida, haciendo que el púlsar parezca más grande de lo que realmente es. Este efecto puede ser tan intenso que evita que los puntos calientes desaparezcan por completo mientras orbitan el púlsar. NICER utiliza estos efectos para medir con precisión la masa y el diámetro de la estrella.
Diferentes aproximaciones
Dos equipos han utilizado diferentes enfoques para determinar el tamaño de J0740: un grupo dirigido por Anna Watts y Thomas Riley (respectivamente profesora y postdoctorado de astrofísica en el Instituto Anton Pannekoek de la Universidad de Ámsterdam) y un equipo dirigido por Cole Miller, profesor de astronomía en la Universidad de Maryland, College Park (EE. UU.). Además de los datos de NICER para J0740, ambos grupos también realizaron observaciones de rayos X con el satélite XMM Newton de la ESA, que fueron útiles para corregir el ruido de fondo. Los dos equipos estiman que el púlsar tiene unos 25-27 km de diámetro.
En 2019, los dos equipos utilizaron datos de NICER para estimar tanto el tamaño como la masa de PSR J0030 + 0451 (o J0030), un púlsar aislado a unos 1.100 años luz de distancia. Descubrieron que es aproximadamente 1,4 veces más masivo que el Sol y tiene un diámetro de 25 a 27 kilómetros.
Más pesado pero del mismo tamaño
“Nuestras nuevas mediciones del J0740 muestran que, aunque es casi un 50% más pesado que el J0030, es esencialmente del mismo tamaño”, dice Watts. “Eso descarta algunos modelos de núcleos de estrellas de neutrones, incluidos aquellos en los que el interior es solo un mar de quarks. El tamaño y la masa de J0740 también son un problema para algunos modelos en los que el núcleo contiene solo neutrones y protones ”. El estudiante de doctorado de Ámsterdam Geert Raaijmakers ahora está analizando las consecuencias para la materia densa, combinando los nuevos resultados de NICER con datos de detectores de ondas gravitacionales y datos de laboratorio.
Los modelos teóricos recientes proponen algunas alternativas, como núcleos internos que contienen una mezcla de neutrones, protones y materia exótica de quarks o nuevos. “Pero todas las posibilidades tendrán que ser reevaluadas en el contexto de esta nueva información de NICER”, según Watts.
Fuente: Universidad de Amsterdam
