Las estrellas de neutrones son algunos de los objetos más densos del Universo. El material de su interior está tan comprimido que los científicos aún no saben qué forma adopta. El núcleo de una estrella de neutrones puede estar formado por una espesa sopa de quarks o contener partículas exóticas que no sobrevivirían en ningún otro lugar del Universo. Crédito: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., editado

Observaciones recientes de XMM-Newton y NASAEl telescopio Chandra ha revelado tres estrellas de neutrones jóvenes e inusualmente frías, desafiando los modelos actuales al demostrar que se enfrían mucho más rápido de lo esperado.

Este hallazgo tiene implicaciones importantes, lo que sugiere que sólo algunas de las muchas propuestas Estrella neutrón Los modelos son viables y apuntan a un avance potencial en la vinculación de las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica a través de observaciones astrofísicas.

Descubrimiento de estrellas de neutrones excepcionalmente frías

Las naves espaciales XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA han detectado tres estrellas de neutrones jóvenes que son inusualmente frías para su edad. Comparando sus propiedades con diferentes modelos de estrellas de neutrones, los científicos concluyen que las bajas temperaturas de las excéntricas descalifican alrededor del 75% de los modelos conocidos. Este es un gran paso hacia el descubrimiento de la 'ecuación de estado' de una única estrella de neutrones que las gobierna a todas, con importantes implicaciones para las leyes fundamentales del Universo.

Además de los agujeros negros, las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más desconcertantes del Universo. Una estrella de neutrones se forma en los últimos momentos de la vida de una estrella muy grande (más de ocho veces la masa de nuestro Sol), cuando el combustible nuclear de su núcleo finalmente se agota. En un final repentino y violento, las capas exteriores de la estrella son expulsadas con una energía monstruosa en una explosión de supernova, dejando tras de sí espectaculares nubes de material interestelar rico en polvo y metales pesados. En el centro de la nube (nebulosa), el denso núcleo estelar se contrae aún más para formar una estrella de neutrones. También se puede formar un agujero negro cuando la masa del núcleo restante es mayor que aproximadamente tres masas solares. Crédito: ESA

Densidad extrema y estados desconocidos de la materia

Después de los agujeros negros de masa estelar, las estrellas de neutrones son los objetos más densos del Universo. Cada estrella de neutrones es el núcleo comprimido de una estrella gigante, que quedó después de que la estrella explotara en una supernova. Después de quedarse sin combustible, el núcleo de la estrella implosiona bajo la fuerza de la gravedad mientras sus capas exteriores son lanzadas al espacio.

La materia en el centro de una estrella de neutrones está tan comprimida que los científicos aún no saben qué forma adopta. Las estrellas de neutrones reciben su nombre del hecho de que, bajo esta inmensa presión, incluso los átomos colapsan: los electrones se fusionan con los núcleos atómicos, transformando los protones en neutrones. Pero podría volverse aún más extraño, ya que el calor y la presión extremos podrían estabilizar partículas más exóticas que no sobreviven en ningún otro lugar, o posiblemente fundir partículas en una sopa arremolinada de sus quarks constituyentes.

En una estrella de neutrones (izquierda), los quarks que forman los neutrones están confinados dentro de los neutrones. En una estrella de quarks (derecha), los quarks están libres, por lo que ocupan menos espacio y el diámetro de la estrella es menor. Crédito: NASA/CXC/M.Weiss

Lo que sucede dentro de una estrella de neutrones se describe mediante la llamada «ecuación de estado», un modelo teórico que describe qué procesos físicos pueden ocurrir dentro de una estrella de neutrones. El problema es que los científicos aún no saben cuál de los cientos de posibles modelos de ecuaciones de estado es correcto. Si bien el comportamiento de las estrellas de neutrones individuales puede depender de propiedades como su masa o la velocidad a la que giran, todas las estrellas de neutrones deben obedecer a la misma ecuación de estado.

Implicaciones de las observaciones del enfriamiento de las estrellas de neutrones

Al analizar los datos de las misiones XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA, los científicos han descubierto tres estrellas de neutrones excepcionalmente jóvenes y frías que son de 10 a 100 veces más frías que sus contrapartes de la misma edad. Al comparar sus propiedades con las velocidades de enfriamiento predichas por diferentes modelos, los investigadores concluyen que la existencia de estas tres excéntricas descarta la mayoría de las ecuaciones de estado propuestas.

“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 un enfriamiento mejorado sólo puede activarse mediante determinadas ecuaciones de estado, esto nos permite excluir una parte importante de los modelos posibles”, explica la astrofísica Nanda Rea, cuyo grupo de investigación en el Instituto de Ciencias Espaciales (ICE-CSIC) e Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (CEI) dirigió la investigación.

Uniendo teorías a través del estudio de la estrella de neutrones.

Descubrir la verdadera ecuación de estado de la estrella de neutrones también tiene implicaciones importantes para las leyes fundamentales del Universo. Es notorio que los físicos todavía no saben cómo unir la teoría de la relatividad general (que describe los efectos de la gravedad a gran escala) con la mecánica cuántica (que describe lo que sucede a nivel de partículas). Las estrellas de neutrones son el mejor campo de pruebas para esto, ya que tienen densidades y gravitación mucho más allá de cualquier cosa que podamos crear en la Tierra.

Las estrellas de neutrones son los núcleos comprimidos de estrellas gigantes, que quedan después de que la estrella explota en una supernova. ¡Son tan densos que la cantidad de material de estrella de neutrones en un terrón de azúcar pesaría tanto como toda la gente de la Tierra! Crédito: ESA

Uniendo fuerzas: cuatro pasos hacia el descubrimiento

Las tres excéntricas estrellas de neutrones, al ser tan frías, las hacen demasiado débiles para que las vean la mayoría de los observatorios de rayos X. «La magnífica sensibilidad de XMM-Newton y Chandra hizo posible no sólo detectar estas estrellas de neutrones, sino también recolectar suficiente luz para determinar sus temperaturas y otras propiedades», dice Camille Diez, investigadora de la ESA que trabaja con datos de XMM-Newton.

Sin embargo, las sensibles mediciones fueron sólo el primer paso para poder sacar conclusiones sobre lo que estas rarezas significan para la ecuación de estado de la estrella de neutrones. Para ello, el equipo de investigación de Nanda en el ICE-CSIC combinó la experiencia complementaria de Alessio Marino, Clara Dehman y Konstantinos Kovlakas.

Alessio dirigió la determinación de las propiedades físicas de las estrellas de neutrones. El equipo pudo deducir las temperaturas de las estrellas de neutrones a partir de los rayos X enviados desde sus superficies, mientras que los tamaños y velocidades de los restos de supernova circundantes dieron una indicación precisa de sus edades.

Luego, Clara tomó la iniciativa en el cálculo de las «curvas de enfriamiento» de las estrellas de neutrones para las ecuaciones de estado que incorporan diferentes mecanismos de enfriamiento. Esto implica trazar lo que predice cada modelo sobre cómo cambia con el tiempo la luminosidad de una estrella de neutrones, una característica directamente relacionada con su temperatura. La forma de estas curvas depende de varias propiedades diferentes de una estrella de neutrones, y no todas pueden determinarse con precisión a partir de observaciones. Por esta razón, el equipo calculó curvas de enfriamiento para una variedad de posibles masas de estrellas de neutrones e intensidades de campos magnéticos.

Finalmente, un análisis estadístico dirigido por Konstantinos lo reunió todo. Usando aprendizaje automático para determinar qué tan bien se alinean las curvas de enfriamiento simuladas con las propiedades de las levas, demostró que las ecuaciones de estado sin un mecanismo de enfriamiento rápido tienen cero posibilidades de coincidir con los datos.

“La investigación sobre estrellas de neutrones abarca muchas disciplinas científicas, desde la física de partículas hasta ondas gravitacionales. El éxito de este trabajo demuestra cuán fundamental es el trabajo en equipo para avanzar en nuestra comprensión del Universo”, concluye Nanda.

Referencia: “Restricciones en la ecuación de estado de materia densa de estrellas de neutrones jóvenes, aisladas y frías” por A. Marino, C. Dehman, K. Kovlakas, N. Rea, JA Pons y D. Viganò, 20 de junio de 2024, Naturaleza Astronomía.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y