Estas tres estrellas de neutrones no deberían ser tan frías

Las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más densos del universo, sólo superadas por los agujeros negros. Al igual que los agujeros negros, las estrellas de neutrones son lo que queda después de que una estrella llega al final de su ciclo de vida y sufre un colapso gravitacional. Esto da como resultado una explosión masiva (supernova), en la que la estrella se desprende de sus capas exteriores y deja tras de sí un remanente estelar altamente comprimido. De hecho, los científicos esperan que la materia en el centro de la estrella se comprima hasta el punto de que los átomos colapsen y los electrones se fusionen con los protones para formar neutrones.

Tradicionalmente, los científicos se han basado en la «ecuación de estado» (un modelo teórico que describe el estado de la materia bajo un conjunto determinado de condiciones físicas) para comprender los procesos físicos que pueden ocurrir dentro de una estrella de neutrones. Pero cuando un equipo dirigido por científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) de España examinó tres estrellas de neutrones excepcionalmente jóvenes, notaron que eran entre 10 y 100 veces más frías que otras estrellas de neutrones de la misma edad. Por lo tanto, los investigadores concluyeron que estas tres estrellas son inconsistentes con la mayoría de las ecuaciones de estado propuestas.

El equipo está formado por astrofísicos del Instituto de Ciencias Espaciales (ICE-CSIS) de Barcelona, ​​el Instituto de Estudios Españoles de Cataluña (IEEC) y el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Alicante. Alessio Marino, becario postdoctoral en astrofísica en ICE e IEEC, fue el autor principal del artículo del equipo (“Restricciones a la ecuación de estado de la materia densa de estrellas de neutrones jóvenes, frías y aisladas«), que apareció recientemente en astronomía natural.

Si bien los astrónomos aún no están seguros de qué modelos de ecuación de estado son correctos para las estrellas de neutrones, las leyes de la física dictan que todas las estrellas de neutrones deben seguir la misma ecuación. Además, la naturaleza fría de las estrellas de neutrones es una forma fiable de determinar su edad: cuanto más envejecen, más frías se vuelven. Si bien la luz invisible es difícil de estudiar, su naturaleza giratoria y sus campos magnéticos (que dirigen la energía hacia los polos magnéticos) producen pulsos de rayos X que pueden observarse.

Tras consultar datos de la Agencia Espacial Europea XMM-Newton y la nasa Chandra En misiones, el equipo encontró evidencia de la existencia de tres estrellas de neutrones. La extrema sensibilidad de estos telescopios no sólo permitió al equipo detectar estas estrellas de neutrones, sino que también permitió recolectar suficiente luz para determinar sus temperaturas y otras propiedades. Según la astrofísica Nanda Rea, cuyo grupo de investigación en el ICE-CSIC y el IEC lideró la investigación, los resultados fueron muy sorprendentes:

«La corta edad y la fría temperatura de la superficie de estas tres estrellas de neutrones sólo pueden explicarse invocando un mecanismo de enfriamiento rápido. Dado que el enfriamiento mejorado sólo puede activarse mediante ciertas ecuaciones de estado, esto nos permite descartar una gran parte de los modelos posibles. »

“La investigación de las estrellas de neutrones abarca muchas disciplinas científicas, desde la física de partículas hasta las ondas gravitacionales. El éxito de este trabajo demuestra lo importante que es el trabajo en equipo para avanzar en nuestra comprensión del universo.

Para ello, Rea y sus colegas (Alessio Marino, Clara Dehmann y Konstantinos Kouvlaka) aprovecharon sus conocimientos combinados y complementarios. Marino, becario postdoctoral en ICE-CSIS y IEEC, dirigió los esfuerzos del equipo para deducir otras propiedades físicas de las estrellas de neutrones. Además de determinar su temperatura a partir de los rayos X emitidos, los tamaños y velocidades de los restos de supernova que los rodeaban daban una indicación precisa de sus edades.

A esto le siguió Clara, investigadora postdoctoral de la Universidad de Alicante, que calculó “curvas de enfriamiento” para estrellas de neutrones basándose en una combinación de masas e intensidades de campos magnéticos. Consiste en trazar lo que predice cada modelo de «ecuación de estado» sobre cómo cambiará la temperatura de la estrella de neutrones (como lo indica su brillo) con el tiempo. Finalmente, Kouvlakas, becario postdoctoral en ICE-CSIC y IEEC, dirigió un análisis estadístico que utilizó aprendizaje automático para hacer coincidir las curvas de enfriamiento simuladas con las propiedades de las tres estrellas de neutrones.

Estas simulaciones revelaron que sin el mecanismo de enfriamiento rápido, ninguna de las ecuaciones de estado se ajustaba a los datos. Además, el equipo concluyó que las propiedades de estas estrellas no concuerdan con aproximadamente el 75% de los modelos conocidos de estrellas de neutrones. Al reducir el rango de posibilidades, los astrónomos están un paso más cerca de conocer la ecuación de estado de la estrella de neutrones que las rige a todas. Esto también puede tener implicaciones importantes para comprender cómo encajan las leyes fundamentales del universo (la relatividad general y la mecánica cuántica).

Esto convierte a las estrellas de neutrones en un laboratorio ideal para probar las leyes de la física, ya que tienen densidades y fuerzas gravitacionales que superan con creces cualquier cosa que pueda recrearse en la Tierra. Al igual que los agujeros negros, estos objetos son el lugar donde las leyes de la física comienzan a desmoronarse y donde a menudo se pueden encontrar los avances más profundos en nuestra comprensión.

Lectura en profundidad: Agencia Espacial Europea, astronomía natural