Estableciendo nuevos límites en el interior de las estrellas de neutrones

¿Cómo podemos entender los entornos que no se pueden replicar en la Tierra? Este es un desafío al que se enfrentan los astrofísicos todo el tiempo. En algunos casos, se trata en gran medida de descubrir cómo aplicar la física bien entendida a condiciones extremas y luego comparar el resultado de estas ecuaciones con las observaciones. Pero la notable excepción a esto es la estrella de neutrones, donde las ecuaciones relevantes se vuelven bastante complicadas y las observaciones no brindan muchos detalles.

Por lo tanto, aunque estamos seguros de que hay una capa de neutrones casi puros cerca de la superficie de estos objetos, no estamos completamente seguros de qué podría estar presente en su profundidad más interna.

Esta semana, Nature publica un estudio que intenta acercarnos a la comprensión. No nos da una respuesta, todavía hay mucha incertidumbre. Pero es una gran oportunidad para observar el proceso de cómo los científicos pueden tomar datos de una amplia gama de fuentes y comenzar a reducir estas incertidumbres.

¿Qué pasa con los neutrones?

La materia que forma las estrellas de neutrones comienza como átomos ionizados cerca del núcleo de una estrella masiva. Una vez que las reacciones de fusión de una estrella dejan de producir suficiente energía para contrarrestar la atracción gravitacional, este material se contrae y experimenta presiones crecientes. La fuerza de aplastamiento es suficiente para eliminar los límites entre los núcleos atómicos, creando una sopa gigante de protones y neutrones. Al final, incluso los electrones de la región se ven obligados a formar muchos protones, convirtiéndolos en neutrones.

Esto finalmente proporciona una fuerza para comprimir la fuerza aplastante de la gravedad. La mecánica cuántica evita que los neutrones ocupen el mismo estado de energía, en estrecha proximidad, y esto evita que los neutrones se acerquen y, por lo tanto, evita que colapsen en un agujero negro. Pero es posible que exista un estado intermedio entre una masa de neutrones y un agujero negro, donde los límites entre los neutrones comienzan a colapsar, dando como resultado extraños cúmulos de sus quarks constituyentes.

Estos tipos de interacciones están sujetos a la fuerza fuerte, que une a los quarks en protones y neutrones y luego une esos protones y neutrones en núcleos atómicos. Desafortunadamente, los cálculos que involucran fuerza extrema son computacionalmente muy costosos. Como resultado, no es posible hacer que funcionen con el tipo de energías y densidades que se encuentran en una estrella de neutrones.

Pero eso no significa que estemos atascados. Tenemos estimaciones aproximadas de la fuerza fuerte que se puede calcular a las energías relevantes. Y aunque estos nos dejan con grandes dudas, es posible utilizar una variedad de evidencia empírica para reducir estas incertidumbres.

¿Cómo miras una estrella de neutrones?

Las estrellas de neutrones son increíblemente compactas para su masa, exprimiendo una masa mayor que la masa del Sol dentro de un objeto de solo unos 20 km de ancho. Lo más cercano que conocemos está a cientos de años luz de distancia, y la mayor parte está mucho más lejos. Entonces, parece que es imposible hacer mucho con la forma en que se representan estas cosas, ¿verdad?

No completamente. Muchas estrellas de neutrones están en sistemas con otro cuerpo, en algunos casos una estrella de neutrones. La forma en que estos dos objetos afectan las órbitas de los demás puede decirnos mucho sobre la masa de una estrella de neutrones. La NASA también tiene un observatorio de estrellas de neutrones dedicado adjunto a la Estación Espacial Internacional. NICER (Explorador de composición interior de estrellas de Nutron) utiliza una serie de telescopios de rayos X para obtener imágenes detalladas de las estrellas de neutrones a medida que giran. Esto le permitió hacer cosas como rastrear un archivo Comportamiento de punto de acceso único en la superficie de la estrella.

Y lo más importante para este trabajo, NICER. Detección de distorsión del espacio-tiempo alrededor de grandes estrellas de neutrones y usar esto para generar una estimación razonablemente precisa de su tamaño. Si se combina con una estimación sólida de la masa de una estrella de neutrones, es posible calcular la densidad y compararla con el tipo de densidad que esperaría de algo que son neutrones puros.

Pero no estamos limitados solo a los fotones cuando se trata de evaluar la formación de estrellas de neutrones. En los últimos años , fusión de estrellas de neutrones Detectada a través de ondas gravitacionales, los detalles exactos de esta señal dependen de las propiedades de las estrellas que se fusionan. Por lo tanto, estas fusiones también podrían ayudar a descartar algunos modelos potenciales de estrellas de neutrones.