Dimensionamiento de estrellas de neutrones
Una estrella de neutrones son los restos persistentes de una estrella masiva que ha terminado su «vida» de fusión nuclear en los brillantes y fatales fuegos artificiales de una explosión de supernova. Estos objetos del tamaño de una ciudad extremadamente densos son en realidad los núcleos colapsados de estrellas muertas que, antes de su «muerte» violenta, pesaban entre 10 y 29 veces la masa de nuestro Sol. Estas extrañas y persistentes reliquias de estrellas pesadas son tan extremadamente densas que una cucharadita llena de material de estrellas de neutrones puede pesar tanto como una manada de elefantes. En marzo de 2020, un equipo de investigación internacional de astrónomos anunció que habían obtenido nuevas medidas de cuán grandes son estas estrellas extrañas. También encontraron que las estrellas de neutrones lo suficientemente desafortunado como para fusionarse con voraces agujeros negros es probable que se traguen enteros, a menos que el agujero negro sea pequeño y / o esté girando rápidamente.
El equipo de investigación internacional, dirigido por miembros del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Einstein: AEI) en Alemania, obtuvo sus nuevas mediciones combinando una descripción general de los primeros principios del comportamiento misterioso del material de estrellas de neutrones con observaciones de múltiples mensajeros de la fusión binaria de un dúo de estrellas de neutrones denominado GW170817. Sus hallazgos, publicados en la edición del 10 de marzo de 2020 de la revista Nature Astronomy , son más estrictos en un factor de dos que los límites anteriores y demuestran que una típica estrella de neutronestiene un radio cercano a los 11 kilómetros. Además, descubrieron que debido a que estas estrellas desafortunadas se tragan enteras durante una fusión catastrófica con un agujero negro, estas fusiones podrían no ser observables como fuentes de ondas gravitacionales y también serían invisibles en el espectro electromagnético. Se dice que el trabajo teórico en física y otras ciencias proviene de los primeros principios ( ab initio ) si se origina directamente en el nivel de la ciencia establecida y no hace suposiciones como el ajuste de modelos empíricos y parámetros.
Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo. Imagínese las ondas que se propagan en la superficie de un estanque después de que se arroja una piedra al agua. Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo. Son generados por masas aceleradas, que se propagan como ondas hacia afuera desde su fuente a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales proporcionan una herramienta nueva e importante para que la utilicen los astrónomos porque revelan fenómenos que las observaciones que utilizan el espectro electromagnético no pueden. Sin embargo, en el caso de fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros, no se pueden utilizar observaciones de ondas gravitacionales ni observaciones que utilicen el espectro electromagnético. Es por eso que tales fusiones pueden no ser observables.
«Las fusiones de estrellas de neutrones binarias son una mina de oro de información. Las estrellas de neutrones contienen la materia más densa del Universo observable. De hecho, son tan densas y compactas que se puede pensar en la estrella completa como un solo núcleo atómico, escalado hasta el tamaño de una ciudad. Al medir las propiedades de estos objetos, aprendemos sobre la física fundamental que gobierna la materia a nivel subatómico «, explicó el Dr. Collin Capano en un comunicado de prensa del Instituto Max Planck del 10 de marzo de 2020 . El Dr. Capano es investigador del AEI en Hannover.
«Encontramos que la típica estrella de neutrones, que es aproximadamente 1,4 veces más pesada que nuestro Sol, tiene un radio de aproximadamente 11 kilómetros. Nuestros resultados limitan el radio a estar entre 10,4 y 11,9 kilómetros. Este es un factor de dos más estrictos que los resultados anteriores «, señaló el Dr. Badri Krishnan en el mismo comunicado de prensa del Instituto Max Planck. El Dr. Krishnan dirige el equipo de investigación del AEI.
Bestias extrañas en el zoológico estelar
Las estrellas de neutrones nacen como resultado de la explosión fatal de una supernova de una estrella masiva, combinada con el colapso gravitacional, que comprime el núcleo a la densidad de un núcleo atómico. Cómo se comporta la materia extremadamente densa y rica en neutrones es un misterio científico. Esto se debe a que es imposible crear las condiciones necesarias en cualquier laboratorio de la Tierra. Aunque los físicos han propuesto varios modelos (ecuaciones de estado), se desconoce cuál (si alguno) de estos modelos describe realmente la materia de las estrellas de neutrones .
Una vez que la estrella de neutrones nace de los restos de su estrella progenitora, que se ha convertido en supernova, ya no puede producir calor activamente. Como resultado, estos bichos raros estelares se enfrían con el paso del tiempo. Sin embargo, todavía tienen el potencial de evolucionar más por colisión o acreción. La mayoría de los modelos básicos sugieren que las estrellas de neutrones están formadas casi en su totalidad por neutrones. Los neutrones, junto con los protones, componen el núcleo de los átomos. Los neutrones no tienen carga eléctrica neta y tienen una masa ligeramente mayor que los protones. Los electrones y protones de la materia atómica normal se combinan para crear neutrones en las condiciones de una estrella de neutrones.
Las estrellas de neutrones que se pueden observar son ardientes y típicamente tienen una temperatura superficial de 600.000 K. Son tan extremadamente densas que una caja de fósforos que contenga su material pesaría alrededor de 2 mil millones de toneladas. Los campos magnéticos de estas estrellas muertas son alrededor de 100 millones a 1 cuatrillón de veces más poderosos que el campo magnético de la Tierra. El campo gravitacional en la extraña superficie de una estrella de neutrones es aproximadamente 200 mil millones de veces mayor que el campo gravitacional de nuestro propio planeta.
A medida que colapsa el núcleo de la estrella masiva condenada, su velocidad de rotación aumenta. Esto es el resultado de la conservación del momento angular y, por esta razón, la estrella de neutrones recién nacida, llamada púlsar, puede girar hasta varios cientos de veces por segundo. Algunos púlsares emiten rayos regulares de radiación electromagnética, ya que giran rápidamente, y esto es lo que los hace detectables. Los rayos de radiación electromagnética emitidos por el púlsar son tan regulares que con frecuencia se los compara con las balizas de los faros en la Tierra.
El descubrimiento de púlsares por la Dra. Jocelyn Bell Burnell y el Dr. Antony Hewish en 1967 fue la primera indicación observacional de que existen estrellas de neutrones . Se cree que la radiación de los púlsar s se emite principalmente desde áreas cercanas a sus polos magnéticos. Si los polos magnéticos no coinciden con el eje de rotación de la estrella de neutrones , el rayo de emisión barrerá el cielo. Cuando se observa desde la distancia, si el observador está situado en algún lugar de la trayectoria del rayo, aparecerá como pulsos regulares de radiación emitidos desde un punto fijo en el espacio, de ahí el «efecto faro». PSR J1748 – 2446ad es actualmente el púlsar que gira más rápidamenteconocido, y gira a la impresionante velocidad de 716 veces por segundo, o 43.000 revoluciones por minuto, dando una velocidad lineal en la superficie de casi una cuarta parte de la velocidad de la luz.
Se cree que hay aproximadamente 100 millones de estrellas de neutrones en nuestra Vía Láctea. Este número fue obtenido por científicos que estimaron el número de estrellas que se han convertido en supernovas en nuestra galaxia. El problema es que la mayoría de las estrellas de neutrones no son púlsares jóvenes que giran violentamente , y las estrellas de neutrones solo pueden detectarse fácilmente en determinadas condiciones, por ejemplo, si son miembros de un sistema binario o si son púlsares jóvenes . Sin embargo, la mayoría de las estrellas de neutrones que habitan en nuestra Vía Láctea son ancianas y frías. Las estrellas de neutrones que no se acumulan y giran lentamente son casi indetectables. Sin embargo, desde que el telescopio espacial Hubbledescubierto RX J185635-3754 , se ha detectado una pequeña cantidad de estrellas de neutrones cercanas que aparentemente emiten solo radiación térmica. Se ha propuesto que a menudo los repetidores gamma son un tipo de estrella de neutrones que posee campos magnéticos especialmente poderosos, denominados magnetares . Sin embargo, algunos astrónomos piensan que los repetidores gamma suaves son en realidad estrellas de neutrones con discos fósiles antiguos rodeándolas.
Cualquier estrella de secuencia principal (quema de hidrógeno), en el Diagrama de Evolución Estelar de Hertzsprung-Russell , que tenga una masa inicial superior a 8 veces la de nuestro Sol, tiene el potencial de convertirse en el progenitor estelar de una estrella de neutrones. A medida que la estrella envejecida se aleja de la secuencia principal , la combustión nuclear adicional da como resultado un núcleo rico en hierro. Cuando todo el combustible nuclear del núcleo se haya agotado, el núcleo debe ser apoyado únicamente por la presión de la degeneración. Estrellas en la secuencia principal de combustión de hidrógenose mantienen animados porque experimentan un equilibrio muy delicado entre la presión de su propia gravedad y la presión de la radiación. Cuando la presión de radiación ya no puede producirse mediante la quema de combustible nuclear, la gravedad aplasta la estrella moribunda.
Los depósitos adicionales de la quema de combustible de las cáscaras hacen que el núcleo de la estrella condenada exceda lo que se denomina el límite de Chandrasekhar . Como resultado, las temperaturas de la estrella masiva condenada y moribunda se elevan a más de 5X10 a la novena potencia K. A estas temperaturas extremadamente calientes, fotodisintegración (la ruptura de núcleos de hierro en partículas alfa por rayos gamma de alta energía )ocurre. A medida que la temperatura aumenta cada vez más, los electrones y los protones se fusionan para crear neutrones mediante la captura de electrones. Estos liberan una avalancha de neutrinos. Cuando las densidades alcanzan una densidad nuclear de 4 x 10 a la decimoséptima potencia kg / m al cubo, una combinación de fuerte repulsión de fuerza nuclear y presión de degeneración de neutrones detiene la contracción adicional. La envoltura exterior que cae de la vieja estrella condenada es detenida y lanzada hacia afuera por un flujo de neutrinos fabricados en la creación de los neutrones. La estrella anciana ha llegado al final de ese largo camino estelar y se convierte en supernova. Si el fantasma estelar tiene una masa que excede alrededor de 3 masas solares, colapsa aún más y se convierte en un agujero negro.
A medida que el núcleo de una estrella masiva se comprime durante una supernova de Tipo II (colapso del núcleo) (o una supernova de Tipo Ib o Tipo Ic ), se colapsa en una estrella de neutrones. La reliquia estelar conserva la mayor parte de su momento angular, pero debido a que solo posee un pequeño porcentaje del radio de su estrella progenitora, nace una estrella de neutrones con una velocidad de rotación muy alta. Este bicho raro estelar se ralentiza durante un período de tiempo muy largo.
Evaluando un bicho raro estelar denso
Las fusiones de un dúo de estrellas de neutrones binarias , como GW 170817, proporcionan un tesoro de información sobre cómo se comporta la materia en condiciones tan extremas, así como la física nuclear subyacente detrás de ella. GW 170817 se observó por primera vez en ondas gravitacionales y todo el espectro electromagnético en agosto de 2017. A partir de este tipo de evento astrofísico importante, los científicos pueden continuar para determinar las propiedades físicas de estas estrellas extrañas, incluido su radio y masa.
El equipo de investigación de AEI utilizó un modelo basado en una descripción de los primeros principios de cómo las partículas subatómicas bailan juntas a densidades extremadamente altas que se encuentran dentro de las estrellas de neutrones. Sorprendentemente, como descubrió el equipo de científicos, los cálculos teóricos a escalas de longitud de menos de una billonésima de milímetro se pueden comparar con las observaciones de un objeto astrofísico a más de cien millones de años luz de la Tierra.
«Es un poco alucinante. GW 170817 fue causado por la colisión de dos objetos del tamaño de una ciudad hace 120 millones de años, cuando los dinosaurios caminaban por aquí en la Tierra. Esto sucedió en una galaxia a mil billones de billones de kilómetros de distancia. De eso, tenemos adquirió conocimientos sobre la física subatómica «, comentó el Dr. Capano en el comunicado de prensa del Instituto Max Planck del 10 de marzo de 2020 .
Las descripciones de los primeros principios utilizadas por los científicos predicen numerosas ecuaciones de estado potenciales para las estrellas de neutrones , que se derivan directamente de la física nuclear. De estas posibles ecuaciones de estado, los investigadores eligieron solo aquellas que tienen más probabilidades de explicar diferentes observaciones astrofísicas, que concuerdan con las observaciones de ondas gravitacionales de GW 170817 . El equipo utilizó observaciones derivadas de datos públicos de LIGO y Virgo, que producen una breve estrella de neutrones hipermasiva como resultado de la fusión, y que concuerdan con las restricciones conocidas sobre la masa máxima de estrellas de neutrones de las observaciones electromagnéticas de la contraparte de GW 170817.Este enfoque no solo permitió a los científicos obtener nueva información sobre la física de la materia densa, sino también obtener los límites más estrictos sobre el tamaño de las estrellas de neutrones hasta la fecha.
«Estos resultados son emocionantes, no solo porque hemos podido mejorar enormemente las mediciones de radios de estrellas de neutrones , sino porque nos dan una ventana al destino final de las estrellas de neutrones en la fusión de binarios», señaló Stephanie Brown en el 10 de marzo de 2020 Max. Comunicado de prensa del Instituto Planck. La Sra. Brown es coautora de la publicación y estudiante de doctorado en el AEI Hannover.
Los nuevos resultados sugieren que, con un evento como GW 170817 , los detectores LIGO y Virgo con sensibilidad de diseño podrán distinguir, solo de las ondas gravitacionales, si el dúo de estrellas de neutrones o el dúo de agujeros negros se han fusionado. Para GW 170817 , las observaciones en el espectro electromagnético fueron fundamentales para hacer esa importante distinción.
El interferómetro láser para el observatorio de ondas gravitacionales (LIGO) es un experimento y un observatorio de física a gran escala para detectar ondas gravitacionales cósmicas y desarrollar observatorios de ondas gravitacionales a nivel astronómico. El interferómetro Virgo es un gran interferómetro diseñado para detectar ondas gravitacionales.
El equipo de científicos también descubrió que para los binarios mixtos (una estrella de neutrones que se fusiona con un agujero negro), las observaciones de fusión de ondas gravitacionales por sí solas tendrán dificultades para distinguir estos eventos de los agujeros negros binarios. Las observaciones en el espectro electromagnético u ondas gravitacionales posteriores a la fusión serán cruciales para distinguir entre los dos.
Sin embargo, resulta que los nuevos resultados también sugieren que es poco probable que ocurran observaciones de múltiples mensajeros de fusiones binarias mixtas. «Hemos demostrado que en casi todos los casos la estrella de neutrones no será destrozada por el agujero negro y más bien se la tragará entera. Solo cuando el agujero negro es muy pequeño o gira rápidamente, puede romper la estrella de neutrones antes de tragarla; y solo entonces podemos esperar ver cualquier cosa además de ondas gravitacionales «, comentó el Dr. Capano en el comunicado de prensa del Instituto Max Planck del 10 de marzo de 2020 .
En la próxima década, los detectores de ondas gravitacionales existentes se volverán aún más sensibles y los detectores adicionales comenzarán a observar. El equipo de investigación espera más detecciones de ondas gravitacionales y posibles observaciones de múltiples mensajeros de la fusión de estrellas de neutrones binarios . Cada una de estas fusiones brindaría maravillosas oportunidades para aprender más sobre las estrellas de neutrones y la física nuclear.
