Los objetos exóticos que se enfrían rápidamente reescriben la física de las estrellas de neutrones

Observaciones recientes realizadas por los telescopios XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea NASAEl telescopio Chandra de la NASA ha revelado tres estrellas de neutrones jóvenes inusualmente frías, desafiando los modelos actuales al mostrar que se están enfriando mucho más rápido de lo esperado.

Este resultado tiene implicaciones importantes, lo que sugiere que sólo algunas de las muchas propuestas Estrella neutrón Estos modelos son viables e indican la posibilidad de un gran avance en la vinculación de las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica a través de observaciones astrofísicas.

Descubrimiento de estrellas de neutrones inusualmente frías

El Observatorio XMM Newton de la ESA y el Observatorio Chandra de la NASA han descubierto tres estrellas de neutrones jóvenes que son inusualmente frías para su edad. Comparando sus propiedades con diferentes modelos de estrellas de neutrones, los científicos concluyeron que las bajas temperaturas de las estrellas extrañas descartan alrededor del 75% de los modelos conocidos. Este es un gran paso hacia la revelación 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.

Junto con los agujeros negros, las estrellas de neutrones son algunos de los objetos más desconcertantes del universo. Una estrella de neutrones se forma en los momentos finales 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 tremenda energía en una explosión de supernova, dejando tras de sí asombrosas nubes de material interestelar rico en polvo y metales pesados. En el centro de la nube (nebulosa), el denso núcleo de la estrella se contrae para formar una estrella de neutrones. También se puede formar un agujero negro cuando la masa restante del núcleo es mayor que aproximadamente tres masas solares. Copyright: Agencia Espacial Europea

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 compacto de una estrella gigante, que permanece después de que la estrella explota en una supernova. Después de quedarse sin combustible, el núcleo de la estrella colapsa 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 enorme presión, incluso los átomos colapsan: los electrones se fusionan con los núcleos atómicos, convirtiendo los protones en neutrones. Pero podría volverse aún más extraño: el calor y la presión extremos podrían estabilizar partículas más exóticas que no sobreviven en otros lugares, o las partículas podrían fundirse 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 de la imagen: NASA/XC/M. Weiss

Lo que sucede dentro de una estrella de neutrones se describe mediante la llamada «ecuación de estado», que es un modelo teórico que describe los procesos físicos que 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 cumplir la misma ecuación de estado.

Implicaciones de las observaciones del enfriamiento de las estrellas de neutrones

Al analizar los datos del Observatorio XMM Newton de la ESA y el Observatorio Chandra de la NASA, los científicos descubrieron 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 varios modelos, los investigadores concluyeron que la presencia de estas tres estrellas exóticas 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 el enfriamiento mejorado sólo puede activarse mediante determinadas ecuaciones de estado, esto nos permite descartar una gran parte de los modelos posibles. ”, explica la física la astrónoma Nanda Rhea, cuyo grupo de investigación trabaja en el Instituto de Ciencias Espaciales (.ICE-CSIC) y el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (Comisión Internacional de Energía Atómica) dirigió la investigación.

Unificando teorías mediante el estudio de la estrella de neutrones

El descubrimiento de la verdadera ecuación de estado de la estrella de neutrones también tiene implicaciones importantes para las leyes fundamentales del universo. Se sabe que los físicos aún no saben cómo conectar 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 porque tienen una densidad y una gravedad que supera con creces cualquier cosa que podamos crear en la Tierra.

Las estrellas de neutrones son los núcleos compactos de estrellas gigantes, que permanecen después de que la estrella explota en una supernova. ¡Es tan denso que la cantidad de materia de estrella de neutrones equivalente a un terrón de azúcar pesa tanto como toda la población de la Tierra! Crédito de la imagen: Agencia Espacial Europea.

Uniendo fuerzas: cuatro pasos hacia el descubrimiento

Las tres extrañas estrellas de neutrones son tan frías que son demasiado débiles para ser vistas por la mayoría de los observatorios de rayos X. «La sensibilidad superior de los observatorios 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 en el XMM. -Datos de Newton.

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

Alessio fue un pionero en la determinación de las propiedades físicas de las estrellas de neutrones. El equipo pudo inferir 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 que las rodeaban daban una indicación precisa de sus edades.

Luego, Clara tomó la iniciativa en el cálculo de “curvas de enfriamiento” para estrellas de neutrones para ecuaciones de estado que involucran diferentes mecanismos de enfriamiento. Esto implica trazar lo que predice cada modelo sobre cómo cambiará con el tiempo la luminosidad de la estrella de neutrones, una característica directamente relacionada con su temperatura. La forma de estas curvas depende de muchas propiedades diferentes de la 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 Constantinos reunió todo. Aprendizaje automático Para determinar qué tan bien se ajustan las curvas de enfriamiento simuladas a las propiedades de las bolas extrañas, el estudio mostró que las ecuaciones de estado sin un mecanismo de enfriamiento rápido tienen cero posibilidades de coincidir con los datos.

“La investigación de las estrellas de neutrones abarca muchas disciplinas científicas, desde la física de partículas hasta… ondas gravitacionales«El éxito de este trabajo demuestra lo importante que es el trabajo en equipo para mejorar nuestra comprensión del universo», concluye Nanda.

Referencia: “Restricciones en la ecuación de estado de la materia densa de estrellas de neutrones jóvenes, frías y aisladas” por A. Marino, C. Dehmann, K. Koufalkas, N. Rea, J.A. Pons, D. Vigano, 20 de junio de 2024, astronomía natural.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y