Estrellas de Neutrones

Esta entrada en el blog va a ser sobre las estrellas de neutrones. Por si alguno aún no lo sabe, están de moda ahora que hemos descubierto que cuando dos de estas estrellas chocan, generan elementos “pesados” como el oro, el platino o el uranio.

Origen de las estrellas de neutrones

Las estrellas de neutrones son el remanente de una estrella que puede tener tres orígenes, aunque todas son por colapso gravitacional:
1. Supernova Tipo II
2. Supernova Tipo Ib
3. Supernova Tipo Ic

Las estrellas de neutrones son los objetos más densos y pequeños que conocemos en el universo que no sean agujeros negros. Suelen tener un radio de unos 10km pero varias veces la masa de nuestro sol. Probablemente sean blancas a nuestros ojos, aunque no es seguro del todo.

Como se puede apreciar en esta imagen, hay un núcleo interno que teorizamos que contiene un plasma de quarks y gluones libres, un núcleo externo tal vez de un condensado de Fermi líquido o gaseoso de neutrones y protones, un manto mixto de neutrones, electrones y neutrinos y una capa externa de iones y electrones. Como son tan masivas creemos que los protones tienden hacia el centro como los neutrones y que los electrones están en las capas superiores. La gravedad es tan alta que fuerza estados no-naturales o materia exótica como los neutrinos. Los neutrones forman la mayor parte de este tinglado. Recuerda que tienen carga eléctrica 0 y una masa ligeramente superior a los protones, de ahí el nombre que le damos a estos objetos.

¿Qué es lo que evita que se colapsen a un agujero negro? Estas estrellas son muy calientes y no se contraen más gracias al principio de exclusión de Fermi: “Dos neutrones no pueden ocupar el mismo espacio y estado cuántico simultáneamente” (También aplica a otras partículas).

Una típica estrella de neutrones posee una masa de entre 1.4 y 3.2 masas solares, con una temperatura superficial de 105 Kelvins (mira el límite de Chandrasekhar y el de Tolman–Oppenheimer–Volkoff). Para hacerte una idea de que significa eso en términos que podamos entender, es como si metíeramos un Boeing 747 en un solo grano de arena. Una caja de cerillas “neutrónica” pesaría unas 5.000 millones de toneladas.

Las descubrimos en 1967 por los púlsares, que son un tipo de estrellas de neutrones. Su rotación puede ser tan veloz que alcance las 642 veces por segundo, o 38.500 rpm.

¿Qué es un púlsar?

Algunas estrellas de neutrones al rotar a esas altas velocidades, emiten rayos gamma con carga electromagnética que puede ser detectada hasta la tierra. Y aunque creemos que pueda haber como 10-8 estrellas de neutrones en la galaxia, normalmente son difíciles de detectar a menos que sean púlsares o parte de un sistema binario. Aún así Hubble encontró una por radiación termal llamada RX J185635-3754.

¿Y un magnetar?

Un magnetar es un tipo teórico de estrella de neutrones cuya existencia está siendo muy elusiva de hallar. Supuestamente serían estrellas de neutrones con un campo magnético increíblemente potente y la teoría sobre si están ahí o no fue dada por Robert Duncan y Cristopher Thomson en 1992. Hoy en día hay un consenso científico bastante amplio sobre el tema y suele ser la explicación para los fenómenos de “Pulsos rayos gamma suaves (SGR)” y “Pulsar X anormal (AXP)”. Pero como ya he dicho, todavía no hemos podido comprobar a ciencia cierta donde hay ninguna de estas. Una de las dificultades es que creemos que el campo magnético va decreciendo con el tiempo, con lo cual cada vez son menos potentes.

Terremoto en un magnetar. Magnemoto

¿Y qué ha sido esa noticia del mes?

Imagen: NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab

El 17 de Agosto de 2017 se detectaron dos estrellas de neutrones chocando y fusionándose en lo que se denomina una “kilonova“. Más de 70 observatorios apuntaron sus telescopios, detectores y sensores especializados y nos han devuelto los resultados y respuestas que necesitábamos para explicar el origen de algunos elementos.

Todo empezó con el sistema LIGO en el estado de Washington. LIGO es un sistema que detecta ondas o alteraciones gravitatorias. Apenas 2 segundos tras recibir esas ondas, llegó a la tierra una explosión de rayos gamma con el mismo origen y coordenadas, lo que hizo que todos los telescopios disponibles apuntasen a ese lugar de origen.

Las ondas gravitacionales detectadas por LIGO nos permitieron saber de forma específica lo que pasó y así determinar la distancia. Inicialmente hubo un temblor gravitatorio ligero que fue aumentando de frecuencia hasta detenerse de repente. El análisis matemático demostró que lo más probable era que el origen estaba ligado a un evento de colisión de dos objetos masivos chocando y fundiéndose. Cada uno de ellos por separado tenía una o dos veces la masa del Sol y estaban localizados a unos 130 millones de años-luz de distancia.

Los rayos X también brillaron… por su ausencia. El telescopio Chandra X no vio ningún rayo X hasta el 26 de Agosto. Eso nos hizo saber que el evento no estaba directamente alineado ni apuntando en nuestra dirección espacial. Si así fuera, habríamos recibido las ondas gravitacioles, los rayos Gamma y los X prácticamente de forma simultánea. Las ondas de radio tardaron hasta el 2 de Septiembre en llegar a la Tierra, confirmando así la teoría sobre la dirección del evento.

Una de las cosas más locas que ocurrieron fue al demontar la luz que nos llegaba en sus distintas frecuencias de onda, como infrarrojo o ultravioleta. La Cámara de Energía Oscura fue la primera en detectar algo que antes no estaba ahí, localizado junto en el punto de origen de los rayos gamma. Fue una luz que ópticamente no se parecía a ninguna de las que conocíamos. El brillo fue en aumento por un día y luego rápidamente fue a menos, yendo del azul al rojo. Le faltaban muchos de los colores asociados a las supernovas.

Combinando la luz ultravioleta con la luz visible los científicos determinaron que la kilonova comenzó en azul antes de enrojecerse rápidamente, expulsando material azul equivalente a 0,3 masas solares a una velocidad de más o menos un tercio de la velocidad de la luz. Estos datos se explican solo con la fusión de dos estrellas de neutrones de un diámetro inferior a 12km de radio expulsando elementos más pesados que el hierro pero con masa atómica inferior a 140: Cerio, plata o lantano por ejemplo.

Añadiendo el infrarrojo a la mezcla la historia se complicado un poco. Otra expulsión más lenta de material rojo, con una masa de 0,4 veces el Sol y al 10% de la velocidad de la luz surgió del evento. Al mirar el espectro con el infrarrojo se detectaron elementos más pesados que el lantano, entre ellos Oro, Platino y Uranio.

Y así es como uno de los grandes misterios de la ciencia, el origen de una buena parte de los materiales más pesados en la Tierra, ha tenido, al fin, su respuesta.

Imágenes imaginarias del proceso por fases

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