NICER de la NASA prueba la capacidad de compresión de las estrellas de neutrones
La materia en los corazones de las estrellas de neutrones, densos remanentes de estrellas masivas explotadas, toma la forma más extrema que podemos medir. Ahora, gracias a los datos del Explorador de Composición Interna de Estrellas de Neutrones (NICER) de la NASA, un telescopio de rayos X en la Estación Espacial Internacional, los científicos han descubierto que esta misteriosa materia es menos comprimible de lo que predijeron algunos físicos.
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| Los científicos creen que las estrellas de neutrones tienen capas. Como se muestra en esta ilustración, el estado de la materia en sus núcleos internos sigue siendo un misterio. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio de imágenes conceptuales |
El hallazgo se basa en las observaciones de NICER de PSR J0740 + 6620 (J0740 para abreviar), la estrella de neutrones más masiva conocida, que se encuentra a más de 3.600 años luz de distancia en la constelación norteña Camelopardalis, la Jirafa. J0740 está en un sistema estelar binario con una enana blanca, el remanente de enfriamiento de una estrella similar al Sol, y gira 346 veces por segundo. Las observaciones anteriores sitúan la masa de la estrella de neutrones en aproximadamente 2,1 veces la del Sol.
"Estamos rodeados de materia normal, la materia de nuestra experiencia diaria, pero hay mucho que no sabemos sobre cómo se comporta la materia y cómo se transforma, en condiciones extremas", dijo Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER en la NASA. Goddard Space Flight Center en Greenbelt, Maryland. "Al medir los tamaños y masas de las estrellas de neutrones con NICER, estamos explorando la materia a punto de implosionar en un agujero negro. Una vez que eso sucede, ya no podemos estudiar la materia porque está oculta por el horizonte de sucesos del agujero negro ".
Arzoumanian y los miembros del equipo de NICER presentaron sus hallazgos el sábado 17 de abril en una reunión virtual de la Sociedad Estadounidense de Física, y los artículos que describen los hallazgos y sus implicaciones ahora están siendo objeto de revisión científica.
Al final de su vida, una estrella muchas veces más pesada que el Sol se queda sin combustible en su núcleo, colapsa por su propio peso y estalla en una supernova. Las más pesadas de estas estrellas en explosión dejan agujeros negros. Los más ligeros nacen estrellas de neutrones, que acumulan más masa que el Sol en una esfera tan ancha como la isla de Manhattan de la ciudad de Nueva York.
Los científicos creen que las estrellas de neutrones tienen capas. En la superficie, una fina atmósfera de átomos de hidrógeno o helio descansa sobre una corteza sólida de átomos más pesados. En la corteza, el rápido aumento de la presión quita electrones de los núcleos atómicos. Más abajo, en el núcleo externo, los núcleos se dividen en neutrones y protones. La inmensa presión aplasta los protones y los electrones para formar un mar de neutrones en su mayoría que eventualmente se empaquetan hasta dos veces la densidad de un núcleo atómico.
Pero, ¿qué forma toma la materia en el núcleo interno? ¿Son los neutrones hasta el fondo o los neutrones se rompen en sus propias partes constituyentes, llamadas quarks?
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| La gravedad de una estrella de neutrones deforma el espacio-tiempo cercano, como una bola de boliche apoyada en un trampolín. La distorsión es lo suficientemente fuerte como para redirigir la luz del otro lado de la estrella hacia nosotros, lo que hace que la estrella parezca más grande de lo que realmente es. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR) |
Los físicos se han estado planteando esta pregunta desde que Walter Baade y Fritz Zwicky propusieron la existencia de estrellas de neutrones en 1934. Para responderla, los astrónomos necesitan medidas precisas tanto de los tamaños como de las masas de estos objetos. Esto les permite calcular la relación entre la presión y la densidad en el núcleo interno de la estrella y evaluar la capacidad de compresión final de la materia.
En los modelos tradicionales de una estrella de neutrones típica, una con aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol, los físicos esperan que el núcleo interno esté mayormente lleno de neutrones. La densidad más baja asegura que los neutrones permanezcan lo suficientemente separados como para permanecer intactos, y esta rigidez interna da como resultado una estrella más grande.
En estrellas de neutrones más masivas como J0740, la densidad del núcleo interno es mucho mayor, lo que hace que los neutrones se acerquen más. No está claro si los neutrones pueden permanecer intactos en estas condiciones o si, en cambio, se descomponen en quarks. Los teóricos sospechan que se hacen añicos bajo la presión, pero quedan muchas preguntas sobre los detalles. Para obtener respuestas, los científicos necesitan una medición precisa del tamaño de una estrella de neutrones masiva. Una estrella más pequeña favorecería escenarios en los que los quarks deambulan libremente en las profundidades más internas porque las partículas más pequeñas pueden empaquetarse más de cerca. Una estrella más grande sugeriría la presencia de formas más complejas de materia.
Para obtener las medidas precisas necesarias, NICER observa estrellas de neutrones que giran rápidamente llamadas púlsares, descubiertas en 1967 por Jocelyn Bell Burnell. Se forman puntos calientes brillantes que emiten rayos X en las superficies de estos objetos. A medida que los púlsares giran, sus puntos aparecen y desaparecen de la vista como los rayos de un faro, produciendo variaciones regulares en el brillo de los rayos X.
Pero los púlsares también son tan densos que su gravedad deforma el espacio-tiempo cercano, como una bola de boliche apoyada en un trampolín. Esta distorsión es lo suficientemente fuerte como para que la luz del lado lejano de la estrella, luz que de otro modo no podríamos detectar, sea redirigida hacia nosotros, lo que hace que el púlsar parezca más grande de lo que realmente es. La misma masa en un paquete más pequeño produce una mayor distorsión. Este efecto puede ser tan intenso que puede evitar que los puntos calientes desaparezcan por completo a medida que giran alrededor del púlsar.
Los científicos pueden aprovechar estos efectos porque NICER mide la llegada de cada radiografía a más de 100 nanosegundos. Al rastrear cómo varía el brillo de rayos X del púlsar a medida que gira, los científicos pueden reconstruir cuánto distorsiona el espacio-tiempo. Dado que conocen su masa, pueden traducir esta distorsión en un tamaño.
Dos equipos utilizaron diferentes enfoques para el tamaño del modelo J0740. Un grupo dirigido por Thomas Riley y Anna Watts, investigadora postdoctoral y profesora de astrofísica en la Universidad de Amsterdam, respectivamente, estima que el púlsar tiene alrededor de 15,4 millas (24,8 kilómetros) de ancho. Un equipo dirigido por Cole Miller, profesor de astronomía en la Universidad de Maryland, College Park, encontró que J0740 tenía alrededor de 17 millas (27,4 kilómetros) de ancho. Los dos resultados se superponen significativamente dentro de sus incertidumbres, que van desde 14,2 a 17 millas (22,8 a 27,4 kilómetros) y 15,2 a 20,2 millas (24,4 a 32,6 kilómetros), respectivamente.
Además de los datos de NICER, ambos grupos también incluyeron observaciones de rayos X del satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea que fueron útiles para contabilizar el ruido de fondo. La masa de J0740 se determinó previamente mediante mediciones de radio realizadas por científicos del Observatorio Norteamericano de Nanohercios de Ondas Gravitacionales y las colaboraciones del Experimento Canadiense de Mapeo de la Intensidad del Hidrógeno.
En 2019, los equipos de Riley y Miller utilizaron datos de NICER para estimar tanto el tamaño como la masa del pulsar J0030 + 0451 (o J0030). Determinaron que el objeto tenía aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol y 16 millas (26 kilómetros) de ancho.
"Nuestras nuevas mediciones de J0740 muestran que aunque es casi un 50% más masivo que J0030, es esencialmente del mismo tamaño", dijo Watts. “Eso desafía algunos de los modelos más comprimibles de núcleos de estrellas de neutrones, incluidas las versiones en las que el interior es solo un mar de quarks. El tamaño y la masa de J0740 también plantean problemas para algunos modelos menos comprimibles que contienen solo neutrones y protones ”.
Los modelos teóricos recientes proponen algunas alternativas, como núcleos internos que contienen una mezcla de neutrones, protones y materia exótica hecha de quarks o nuevas combinaciones de quarks. Pero todas las posibilidades deberán reevaluarse en el contexto de esta nueva información de NICER.
"El tamaño de J0740 nos tiene a los teóricos desconcertados y emocionados", dijo Sanjay Reddy, profesor de física en la Universidad de Washington que estudia la materia en condiciones extremas pero no participó en el hallazgo. “Las mediciones de NICER, combinadas con otras observaciones de múltiples mensajeros, parecen apoyar la idea de que la presión aumenta rápidamente en los núcleos masivos de estrellas de neutrones. Si bien esto desfavorece las transiciones a formas de materia más comprimibles en el núcleo, sus implicaciones aún no se han entendido por completo ".
El equipo de Miller también determinó qué tan bien los científicos pueden estimar el tamaño de un púlsar, utilizando las mediciones J0740 y J0030 de NICER para complementar la información existente de otros púlsares pesados y eventos de ondas gravitacionales, ondas espacio-temporales generadas por las colisiones de objetos masivos como estrellas de neutrones y agujeros negros.
"Ahora conocemos el radio de una estrella de neutrones estándar, con 1,4 veces la masa del Sol, dentro de una incertidumbre del 5%", dijo Miller. “Eso es como saber el tamaño de Washington, D.C., dentro de un cuarto de milla. NICER no solo está reescribiendo los libros de texto sobre estrellas de neutrones, sino que también está revolucionando nuestra confianza en nuestras mediciones de objetos que son a la vez muy distantes y muy pequeños ”.
Además de probar los límites de la materia, las estrellas de neutrones también ofrecen un nuevo medio de explorar los vastos confines del espacio. En 2018, un equipo de científicos e ingenieros de la NASA utilizó NICER para demostrar, por primera vez, una navegación completamente autónoma en el espacio utilizando púlsares, lo que podría revolucionar nuestra capacidad para pilotar naves espaciales robóticas a los confines del sistema solar y más allá.
"NICER fue un gran compañero de tripulación", dijo la astronauta de la NASA Christina Koch, quien se desempeñó como ingeniera de vuelo en la estación espacial desde marzo de 2019 hasta febrero de 2020, estableciendo el récord del vuelo espacial más largo realizado por una mujer. “La misión ejemplifica todos los mejores aspectos de la investigación de la estación. Es ciencia fundamental revolucionaria, ciencia espacial e innovación tecnológica, todo ello habilitado por el entorno y la plataforma únicos de un laboratorio en órbita ".
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| El explorador de composición interior de la estrella de neutrones de la NASA (NICER) es una carga útil de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional. Crédito: NASA. |
NICER es una Misión de Oportunidad de Astrofísica dentro del programa Explorers de la NASA, que brinda oportunidades de vuelos frecuentes para investigaciones científicas de clase mundial desde el espacio utilizando enfoques de gestión innovadores, optimizados y eficientes dentro de las áreas de ciencia heliofísica y astrofísica. La Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA apoya el componente SEXTANT de la misión, demostrando la navegación de naves espaciales basadas en púlsares.
Por Jeanette Kazmierczak
Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
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Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
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Última actualización: 17 de abril de 2021, enlace publicación.
Montaje: Jeanette Kazmierczak
