Estrellas de neutrones, rayos X binarios.

Estrellas de neutrones.

Ilustración del artista de una ultra densa y compacta estrella de neutrones.
Crédito: LIGO/Casei Reed/ Penn State University.

La materia ordinaria, o las cosas de las que nosotros y todo lo que nos rodea está hecho de espacio vacío. Incluso una roca es en su mayoría espacio vacío. Esto es porque la materia está hecha de átomos. Un átomo es una nube de electrones que orbita alrededor de un núcleo compuesto por protones y neutrones.

El núcleo contiene más del 99.9 por ciento de la masa de un átomo, sin embargo, tiene un diámetro de solo 1/100.000 de la nube de electrones. Los electrones en sí ocupan poco espacio, pero el patrón de su órbita define el tamaño del átomo, que es por lo tanto 99.9999999999999% de espacio abierto.

Lo que percibimos como dolorosamente sólido cuando nos topamos con una roca es en realidad un alboroto de electrones que se mueven a través del espacio vacío tan rápido que no podemos ver o sentir el vacío. ¿Qué aspecto tendría la materia si no estuviera vacía, si pudiéramos aplastar la nube de electrones hasta el tamaño del núcleo? Supongamos que podemos generar una fuerza lo suficientemente fuerte como para aplastar todo el vacío de una roca aproximadamente del tamaño de un estadio de fútbol. ¡La roca sería exprimida hasta el tamaño de un grano de arena y aún pesaría 4 millones de toneladas!

Tales fuerzas extremas ocurren en la naturaleza cuando la parte central de una estrella masiva colapsa para formar una estrella de neutrones. Los átomos se trituran por completo y los electrones se atascan dentro de los protones para formar una estrella compuesta casi por completo de neutrones. El resultado es una pequeña estrella que es como un núcleo gigantesco y no tiene espacio vacío.

Las estrellas de neutrones son objetos extraños y fascinantes. Representan un estado extremo de la materia que los físicos están ansiosos por saber más. Sin embargo, incluso si pudieras visitar uno, sería recomendable que rechazaras la oferta.

Púlsares de rotación.

Estas partículas de alta energía producen haces de radiación en todo el espectro electro magnético, desde ondas de radio hasta la poderosa emisión de rayos gamma. Al igual que un haz de faro giratorio, la radiación se puede observar como una fuente pulsante de radiación o púlsar. Los púlsares fueron observados por primera vez por radioastrónomos en 1967. Actualmente hay aproximadamente 1000 púlsares conocidos. Se ha observado que el púlsar en la Nebulosa del Cangrejo, uno de los púlsares más jóvenes y más energéticos conocidos, pulsa en casi cada longitud de onda: radio, óptica, rayos X y rayos gamma. Se observa que algunas docenas de púlsares pulsan en rayos X y se observa que seis pulsan en rayos gamma.

Magnetares o púlsares.

Imagen compuesta por distintas longitudes de onda del púlsar de la nebulosa del Cangrejo.
Crédito de imagen: RayosX: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.;
Óptico: NASA/HST/ASU/J. Hester et al.

Los magnetares son estrellas de neutrones con campos magnéticos que son aproximadamente un billón de veces más grandes que el campo magnético de la Tierra. Se cree que estos asombrosos campos magnéticos se producen cuando una estrella de neutrones de rotación extremadamente rápida se forma por el colapso del núcleo de una estrella masiva. Cuando se forma una estrella de neutrones desencadena una explosión de supernova que expulsa las capas exteriores de la estrella a altas velocidades.

La alta velocidad de rotación de la estrella de neutrones intensifica el campo magnético a los niveles de magnetar. Cuando las fuerzas magnéticas se hacen lo suficientemente fuertes, pueden causar terremotos en la superficie de la estrella de neutrones que producen estallidos poderosos de rayos X llamados destellos de rayos X. Estos eventos pueden representar un tipo intermedio de explosión de supernova: más enérgicas que las supernovas ordinarias, pero menos que las hipernovas, que se cree que son responsables de las explosiones de rayos gamma. Los estallidos de magnetares también pueden ocurrir durante cientos de años después de la explosión inicial.

El campo magnético estable más fuerte producido en la Tierra en un laboratorio es aproximadamente un millón de veces mayor que el campo magnético de la Tierra. Más allá de este límite, el material magnético ordinario sería destruido por fuerzas magnéticas. Solo en una estrella de neutrones, donde la gravedad es más de 100 mil millones de veces mayor que en la Tierra, puede resistir las fuerzas magnéticas de un magnetar, e incluso allí la corteza de la estrella de neutrones puede romperse por la tensión.

La fuente de la potencia es el campo magnético de rotación rápida, por lo que estos púlsares a veces se denominan púlsares de potencia rotacional, para distinguirlos de otro tipo de púlsar de rayos X descubierto por los astrónomos, los púlsares accionados por acreción.

Púlsares accionados por acreción, rayos X binarios.

Si una estrella de neutrones está en una órbita cercana a una estrella compañera normal, puede capturar la materia que fluye lejos de esa estrella. Esta materia capturada formará un disco alrededor de la estrella de neutrones desde la cual caerá en espiral y caerá, o se adherirá, a la estrella de neutrones.

La materia capturada ganará una enorme cantidad de energía a medida que se acelere. Gran parte de esta energía se irradiará como energía de rayos X. El campo magnético de la estrella de neutrones puede canalizar la materia hacia los polos magnéticos, de modo que la liberación de energía se concentra en una columna o punto de materia caliente. A medida que la estrella de neutrones gira, la región caliente entra y sale de la vista y produce pulsos de rayos X.

Primer plano de una estrella de neutrones que muestra cómo la materia cae, o se acumula, del disco de acreción a la superficie de la estrella de neutrones. (Ilustración: CXC / S Lee)

Los púlsares accionados por acreción son producidos por la materia que fluye hacia la estrella de neutrones, mientras que los púlsares impulsados ​​por la rotación producen una salida de materia. (En algunos casos, una contribución significativa a la emisión de rayos X puede ser de los casquetes polares calentados por partículas "internas"). Para esto último, se requiere una rotación rápida. Para el primero, se necesita una fuente abundante de gas infalible, como una estrella compañera. 

Algunas de las fuentes de rayos X más fuertes en nuestra galaxia están acretando estrellas de neutrones en sistemas estelares binarios. Con Chandra, los astrónomos han detectado cientos de tales objetos en otras galaxias también. Las estrellas de neutrones en acreción exhiben varios comportamientos que se cree que están relacionados con los detalles de cómo la materia cae sobre la estrella de neutrones. Algunos pulsan constantemente, algunos parpadean de forma casi periódica, algunos explotan explosivamente, algunos eyectan chorros de partículas de alta energía.

Un agujero negro en un sistema binario también podría producir una fuente de acreción. Dado que los agujeros negros no tienen una superficie o un polo magnético en el sentido normal de la palabra, no pueden producir pulsos de rayos X regulares, aunque pueden parpadear.

• Publicado en Chandra.