Astronomía

Viaje al corazón de las estrellas de neutrones

Aunque se sabe de su existencia desde hace ya noventa años, su naturaleza más profunda sigue envuelta en el misterio.

estrella de neutrones
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Imagina 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, el tamaño de una ciudad mediana. Ahora, la ponemos a rotar de forma que gire del orden de mil veces por segundo. Resulta difícil de concebir, pero eso existe en nuestro universo: es una estrella de neutrones. Y aunque se sabe de su existencia hace ya noventa años, su naturaleza más profunda sigue envuelta en el misterio.

De lo que sí tenemos constancia es de que allí la materia está tan sumamente concentrada –con una densidad equivalente a mil billones de veces la del agua– y sometida a unas presiones tan elevadas que no se presenta en forma de átomos: conformaría una especie de sopa de neutrones y otras partículas subatómicas con nombres tan peculiares como el de piones. Su estructura colapsaría por acción de la gravedad, pero se mantiene debido a la llamada 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. Pues lo mismo ocurre en el interior de estos peculiares astros: su peso, que tiende a concentrar toda la masa en el centro, no vence porque dos partículas de materia no pueden ocupar el mismo sitio al mismo tiempo.

 

 

¿De qué está hecha una estrella de neutrones?

Hasta aquí todo correcto, pero ¿de qué tipo de materia estamos hablando? O, dicho de otro modo, ¿qué hay en el corazón de una estrella de neutrones? Aunque los teóricos han propuesto diferentes modelos para explicarlo, aún no se sabe con certeza qué esconde en su interior.

Para arrojar luz sobre este punto, en junio de 2017 se instaló en la Estación Espacial Internacional el telescopio Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), que tardó menos de un año en hacer un descubrimiento excepcional: una estrella de neutrones que da una vuelta completa alrededor de su compañera en solo 38 minutos. Bautizada como IGR J17062–6143, su órbita es menor que la distancia entre la Tierra y la Luna, lo que convierte a este sistema estelar binario en el más cerrado hasta ahora conocido. Con un periodo de rotación de 9800 vueltas por minuto, es lo que los astrónomos han bautizado como un púlsar de milisegundos.

Pero, ¿por qué se le llama púlsar? Acrónimo en inglés de ‘estrella pulsante’, la historia del descubrimiento de estas estrellas contiene todo los ingredientes necesarios para rodar una buena película. Su primera escena arrancaría en 1930, cuando un joven físico hindú, Subrahmanyan Chandrasekhar, viajaba en barco desde su país a Inglaterra para realizar el doctorado en la Universidad de Cambridge. La larga singladura le dio tiempo para estudiar uno de los temas de investigación de quien iba a ser su tutor: la evolución de las estrellas. Fue así como calculó que si estas tienen una masa inferior a una vez y media la del Sol, deberían acabar sus días como enanas blancas.

Con la misma masa que el astro rey, esos cuerpos celestes están compuestos exclusivamente de helio y se contraen hasta alcanzar un tamaño similar al de la Tierra. Su materia se halla tan comprimida que una sola cucharadita de enana blanca pesa más de una tonelada. Pero si la masa de la estrella es superior a 1,5 veces la masa solar, entonces la gravedad vence, los núcleos de helio se destrozan y continúa el colapso. Estos cálculos le valieron el Premio Nobel de Física en 1983.

¿Qué pasa entonces si la estrella supera el hoy conocido como límite de Chandrasekhar? La primera pista la dieron los físicos Walter Baade (Alemania) y Fritz Zwicky (Bulgaria) en 1933, cuando propusieron la existencia de estrellas compuestas por una sopa extremadamente densa de neutrones. Serían el remanente de una supernova, el megaestallido final con el que muere un astro masivo. En 1939, el que pocos años más tarde sería conocido como el padre de la bomba atómica, Robert Oppenheimer, y su alumno George Volkoff encontraron que toda estrella que termina sus días con una masa situada entre el límite de Chandrasekhar y unas 3,5 veces la masa del Sol acaba convirtiéndose en una estrella de neutrones. En estos cadáveres estelares, la presión de degeneración de los neutrones detendría el colapso gravitatorio. Pero esto no dejaba de ser un ejercicio teórico, y tales objetos de­saparecieron del radar durante casi treinta años.

Hacia finales de 1967, un peculiar radiotelescopio levantado en la campiña inglesa cercana a Cambridge, que consistía en una serie de postes en hilera sobre los que se asentaban 2000 miniantenas, interceptó un mensaje completamente desconocido: una serie de impulsos muy breves, de pocas centésimas de segundo de duración, y espaciados 1,3 segundos. Su descubridora fue una estudiante de doctorado llamada Jocelyn Bell, que se dedicaba a medir el tamaño de algunas fuentes emisoras de radio. Para ello, examinaba pacientemente los registros impresos en tiras de papel que el observatorio escupía las veinticuatro horas del día. Bell y su director de tesis, Antony Hewish, llegaron a la conclusión de que una señal tan precisa debía tener un origen terrestre. Pero pronto se dieron cuenta de que no podía ser, porque aparecía cada noche unos cuatro minutos antes que la anterior, lo mismo que les sucede a las estrellas. Bautizaron al emisor con el nombre de LGM 1, las siglas en inglés de hombrecillos verdes (Little Green Men).

 

Un descubrimiento alocado

¿Qué habían encontrado? No eran las emisiones de una civilización alienígena, como podría pensarse. Sin duda, se trataba de un objeto espacial, aunque de un tipo totalmente desconocido. Entonces tomó cartas en el asunto un astrónomo de origen austriaco bastante iconoclasta llamado Thomas Gold. Propuso que los recién descubiertos púlsares eran estrellas de neutrones en rápida rotación. ¿Demasiado alocado?

Eso pensó la comunidad astronómica, porque ni siquiera se le permitió defender su idea en un congreso. Pero dos años más tarde, en 1969, tras identificarse un púlsar en la nebulosa del Cangrejo, fue aceptada su singular propuesta. A Gold le dolieron mucho las críticas de sus colegas: “Después de aquello, nunca más volvería a comprometerme con las opiniones de los demás”, dijo.

La parte más fascinante de su idea era que la radiación electromagnética liberada por una estrella de neutrones en rápida rotación no sale despedida de su superficie por todas partes, como sucede con nuestro sol o una bombilla, sino en dos direcciones específicas, coincidentes con sus polos magnéticos. Por eso observamos un destello que se enciende y se apaga hasta quinientas veces por segundo, igual que los faros de la costa.

Desde entonces, las estrellas de neutrones no han dejado de darnos sorpresas. La primera fue en 1974, cuando Joseph Hooton Taylor Jr. y Russell Hulse descubrieron un púlsar binario, el PSR B1913+16, cuyas dos estrellas tardaban en orbitar una alrededor de la otra solo ocho horas. Este descubrimiento permitió comprobar una de las predicciones más extraordinarias de la teoría general de la relatividad: las ondas gravitatorias. Einstein conjeturó que un sistema así debe perder energía, porque emite una fuerte radiación gravitacional, fenómeno que propicia que la órbita se vaya empequeñeciendo. Las observaciones de Taylor y Hulse confirmaron esa predicción y proporcionaron así la primera prueba de la existencia de ondas gravitacionales; la detección de esas arrugas del espacio-tiempo de forma directa fue confirmada por el experimento LIGO, que anunció la noticia en 2016.

Más adelante, en 1982, un equipo dirigido por Don Backer, de la Universidad de California (EE. UU.), descubría el primer púlsar de milisegundos. Se trataba del PSR B1937+21, llamado así por su periodo de rotación extremadamente corto. En particular, este objeto celeste tarda en girar sobre sí mismo 1,6 milisegundos; o lo que es lo mismo, da 38 500 vueltas en un minuto. Y no sabemos por qué. Su campo magnético suele ser mucho más débil que el de los demás, aunque hay excepciones, como sucede con el descubierto por Backer. Se cree que se trata de viejas estrellas de neutrones recicladas gracias a la presencia de una compañera a la que roba materia, lo que hace que aumente su velocidad de rotación. Ahora bien, esta teoría no explica la existencia de púlsares como el de Backer. Además, los astrofísicos Bulent Kiziltan y Stephen E. Thorsett, de la Universidad de California (EE. UU.), mostraron recientemente que debe existir otro proceso de formación totalmente diferente.

 

Estrellas de neutrones y exoplanetas

Una de las grandes sorpresas que nos han dado estos peculiares objetos fue cuando se encontró que tenían planetas orbitando a su alrededor. El primero de ellos lo descubrió en 1992 Aleksander Wolszczan, y giraba en torno al púlsar de milisegundos PSR B1257+12. En realidad, allí hay tres exomundos: uno con una masa que equivale a la quinta parte de la de la Tierra y dos con unas cuatro veces la de nuestro planeta. Nadie se lo podía creer: los primeros planetas extrasolares descubiertos no estaban en torno a un astro normal –se encontrarían tres años más tarde–, sino alrededor de un cadáver estelar.

Desde entonces se han descubierto otros exoplanetas en estrellas de neutrones, como el que orbita a PSR J1719-1438 cada dos horas y diez minutos. Tiene la masa de Júpiter, es rico en carbono y oxígeno y no mide más de 55 000 kilómetros de diámetro. Con una densidad de unos 23 gramos por centímetro cúbico –similar a la de un colchón de gomaespuma o al platino–, se supone que se formó a partir de los restos de una enana blanca. Y lo más fascinante de este objeto es que probablemente gran parte de él sea un inmenso diamante.

Sin embargo, y a pesar de todos los enigmas que envuelven a las estrellas de neutrones, el mayor de todos se encuentra en su interior. ¿De qué está hecho? Averiguarlo es el principal objetivo de la citada misión NICER, que se dedica a recoger las emisiones de rayos X originados 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 cien nanosegundos, algo fundamental para poder determinar su periodo de rotación.

Gracias a este magnífico observatorio y a las mediciones combinadas de otros instrumentos, los expertos empiezan a recoger datos precisos de la masa, el radio, el campo magnético... Toda una panoplia de información imprescindible para comprender lo que pasa en su interior. “Estamos en el comienzo de una edad de oro de la física de las estrellas de neutrones”, declaró, emocionado, el físico teórico Jürgen Schaffner-Bielich, de la Universidad Goethe, en Frankfurt (Alemania).

Conocer el interior de las estrellas es complejo, porque solo contamos con información de lo que sucede en la superficie . En el caso de las estrellas de neutrones, la tarea se complica por el hecho de que no tenemos demasiada idea de lo que ocurre cuando la materia está tan comprimida. Aun así, los astrofísicos teóricos han confeccionado un atlas aproximativo de su morfología.

Debajo de una fina atmósfera de hidrógeno y hielo yacen varias capas formadas de núcleos atómicos, electrones libres y neutrones. Pero entonces llegamos a su corazón, un territorio desconocido. 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 hay cuarks 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 unos cuarks más exóticos. Estos son muy inestables y se desintegran rápidamente, pero tal vez aguanten a esas inconcebibles presiones. Otra posibilidad es que en el centro tengamos un condensado de Bose-Einstein, estado de agregación de la materia que se da a temperaturas cercanas a l cero absoluto (- 273,15 º C ) y que se encuentra por debajo del sólido. En él, todas las partículas se comportan como si fueran un único superátomo.

En este último caso, la estrella debería tener un radio más pequeño que si estuviera hecho de material ordinario. Y si consiste en hiperones, el núcleo podría ser más pequeño aún. Por eso, conocer su tamaño con precisión resulta tan importante para la ciencia. Desgraciamente, ese tipo de mediciones son muy complicadas y dan lugar a muchas imprecisiones: solo se han calculado en una docena de púlsares, y el margen de error alcanza el 20 %.

Del mismo modo, medir la masa también resulta crucial. Hoy solo se puede estimar en el caso de púlsares en sistemas binarios, pues se calcula a partir de sus elementos orbitales; aun así, las estimaciones adolecen de un error experimental de casi una masa solar.

Por eso, muchas esperanzas están puestas en NICER: los astrónomos están convencidos de que a partir de sus observaciones se podrá obtener tanto la masa como el radio con suficiente precisión y será posible afinar mucho más la denominada ecuación de estado de las estrellas de neutrones, que describe cómo se encuentra la materia en su interior. El primer avance importante se produjo en 2018, cuando dos equipos de científicos, de las universidades de Helsinki e Indiana, mejoraron la ya existente a partir de las observaciones realizadas con los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo. Ambos registraron los últimos minutos de la vida de dos estrellas de neutrones que se encontraban en pleno colapso orbital. Gracias a los datos recogidos entonces se obtuvo una ecuación mucho más precisa, algo que no sucedía desde 2012. Optimistas, los físicos piensan que los hallazgos de NICER permitirán hacer una limpieza entre los diferentes modelos que pueblan la literatura científica.

Y parece que no se equivocan. El primer objetivo del observatorio fue un púlsar que gira unas doscientas veces por segundo y se encuentra situado a 1100 años luz de la Tierra: J0030+0451. Tras analizar 850 horas de observación, los científicos concluyeron que tiene una masa entre 1,3 y 1,4 veces la del Sol y un radio de aproximadamente trece kilómetros.

Pero lo más importante de las mediciones de NICER es que vamos a poder comprender mejor lo que es característico de los púlsares: su intenso campo magnético, billones de veces más intenso que el de la Tierra. Los primeros datos sugieren que pueden ser mucho más complejos de lo que hasta ahora se pensaba. Aquí, el esfuerzo teórico también resulta arduo: entender cómo interacciona un descomunal imán con una materia ultradensa no está al alcance de cualquiera.

NICER, LIGO, Virgo y el detector de ondas gravitacionales Kamioka (KAGRA) –que entró en funcionamiento en febrero de 2020– van a permitir ahondar en el misterio de las estrellas de neutrones a partir de sus huellas gravitatorias en el tejido espaciotemporal. Y a ellos se les unirán observatorios espaciales de rayos X que están en fase de diseño, como el europeo-japonés eXTP o el norteamericano STROBE-X. ¿Sabremos por fin qué esconden en su interior? e

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