¿De qué están hechas las estrellas de neutrones?

Estos cadáveres estelares, esferas de pocos kilómetros de diámetro que contienen la masa de varios soles, encierran un gran enigma: su interior. No hay física que describa el tipo de materia con el que están hechas.

Imaginemos una estrella que tenga una vez y media la masa de nuestro Sol apelotonada en el interior de una esfera de diez kilómetros de diámetro y girando el tamaño de una ciudad mediana. Ahora, la ponemos a rotar de forma que gire del orden de mil veces por segundo. Resulta difícil imaginar, pero 'eso' existe en nuestro universo: es una estrella de neutrones. Y aunque se predijo su existencia a mediados de los años 30, sigue siendo un enigma.

Lo que sabemos con seguridad es que allí la materia está tan concentrada (con una densidad mil billones de veces la del agua) y se encuentra a unas presiones tan elevadas que no se presenta en forma de átomos. Lo que se tiene es una especie de sopa de neutrones y otras partículas subatómicas que tienen nombres tan peculiares como el de piones. La estructura de la estrella, que colapsaría por acción de la gravedad, se soporta debido a la presión de degeneración. Para entenderla pensemos en lo que ocurre en los bares y lugares de copas durante las fiestas: están tan abarrotados que no cabe, como vulgarmente se dice, ni un alfiler. Si quisiéramos entrar deberíamos vencer la presión que ejercen las demás personas, que parecen estar prácticamente pegadas. Lo mismo ocurre en el interior de las estrellas de neutrones: el peso de la estrella, que tiende a concentrar toda la masa de la estrella en el centro, no vence porque dos partículas de materia no pueden ocupar el mismo sitio al mismo tiempo.

Hasta aquí todo correcto pero, ¿de qué tipo de materia estamos hablando? ¿Cómo es la estructura interna de una estrella de neutrones? ¿De qué está hecha? Aunque los teóricos han avanzado diferentes modelos para explicarlo, sigue siendo un misterio.

Conocer el interior de las estrellas es complejo porque solo tenemos información de lo que sucede en la superficie. En el caso de las estrellas de neutrones esto se ve complicado por el hecho de que no tenemos demasiada idea de lo que sucede cuando la materia se encuentra tan comprimida. Pero aún así, los astrofísicos teóricos tiene cierta idea, bastante general, de lo que pasa debajo de su fina atmósfera de hidrógeno y helio.

Debajo de esa atmósfera tenemos es una corteza de, como mucho, dos centímetros de espesor compuesta por núcleos atómicos y electrones circulando libremente entre ellos, seguida por una capa más interna de núcleos atómicos pesados y neutrones y electrones libres. Por debajo de esa corteza interna la presión es tan alta que los protones y electrones se unen para formar neutrones. Debajo de ahí llegamos al núcleo, un lugar donde las especulaciones teóricas se disparan. Se piensa que se encuentra dividido en dos zonas. La más externa puede consistir en un líquido cuántico rico en neutrones mientras que la interna... Bueno, aquí los físicos solo se aventuran a decir que se trata de materia ultradensa. Como dice la astrofísica de la Universidad de California Jocelyn Read, “una cosa es conocer los ingredientes y otra es entender la receta y cómo esos ingredientes van a interactuar entre sí".

Unos piensan que lo que se tiene son quarks y gluones (las partículas con las que se construyen los protones y neutrones) deambulando libremente. Otros creen que quizá haya otras partículas, como los hiperones, compuestos por tres quarks (neutrones y protones solo tienen dos). Estos son muy inestables y se desintegran rápidamente pero quizá a esas inconcebibles presiones sean estables. Otra posibilidad es que en el centro tengamos un condensado de Bose-Einstein, un estado de agregación de la materia que se encuentra por debajo del sólido. En él todas las partículas colapsan al mismo estado fundamental y se comportan como si fueran un único “superátomo”. En este caso, si el centro es un condensado de Bose-Einstein, la estrella debe tener un radio más pequeño que si estuviera hecho de material ordinario. Y si está hecho de hiperones el núcleo podría ser más pequeño aún. Por eso medir el radio con precisión es muy importante. Por desgracia ese tipo de medidas son muy complicadas de hacer y tiene muchas imprecisiones: solo se ha calculado en una docena de púlsares y el margen de error es la quinta parte de su tamaño. Del mismo modo, medir la masa también es importante. En la actualidad solo se puede estimar en el caso de púlsares en sistemas binarios, pues se calcula a partir de sus elementos orbitales, pero aún así las estimaciones adolecen de un error experimental de casi una masa solar.

Por eso muchas esperanzas están puestas en Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), dedicado a recoger las emisiones en rayos X que se originan en los púlsares. Va equipado con 56 detectores recubiertos de oro que registran, además, el momento de la llegada del pulso con una exactitud de 100 nanosegundos, algo fundamental para poder determinar su periodo de rotación.

Los astrónomos están convencidos que a partir de sus observaciones se podrá saber tanto la masa como el radio con suficiente precisión y podrán afinar mucha más lo que se llama la ecuación de estado de las estrellas de neutrones, que describe cómo se encuentra la materia en su interior. El primer avance se dio en 2018, cuando dos equipos de científicos, uno de la Universidad de Helsinki y otro de la Universidad de Indiana, mejoraron la ya existente a partir de las observaciones realizadas con los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo. Estos registraron los últimos minutos de la vida de dos estrellas de neutrones que se encontraban en pleno colapso orbital. Gracias a los datos recogidos se obtuvo una ecuación de estado mucho más precisa, algo que no sucedía desde 2012. Con NICER los físicos se muestran optimistas y piensan que las observaciones de este observatorio de rayos X permitirá hacer una limpieza entre los diferentes modelos de interiores que pueblan la literatura científica.

Y más aún, en combinación con los detectores de ondas gravitacionales y los nuevos observatorios espaciales de rayos X, bastantes astrónomos piensan, esperanzados, que en la próxima década se puedan desvelar gran parte de los secretos que encierra la estructura interna de las estrellas de neutrones.

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Me licencié en astrofísica pero ahora me dedico a contar cuentos. Eso sí, he sustituido los dragones y caballeros por microorganismos, estrellas y científicos de bata blanca.

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