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Nueva herramienta permite a los científicos mirar dentro de las estrellas de neutrones

Fusión de estrellas de neutrones y las ondas de gravedad que produce. Crédito: NASA/Centro de Vuelo Espacial Goddard

Imagina tomar una estrella con el doble de la masa del sol y aplastarla al tamaño de Manhattan. El resultado sería una estrella de neutrones, uno de los objetos más densos que se encuentran en cualquier parte del universo, superando la densidad de cualquier material que se encuentre naturalmente en la Tierra por un factor de decenas de billones. Las estrellas de neutrones son objetos astrofísicos extraordinarios por derecho propio, pero sus densidades extremas también podrían permitirles funcionar como laboratorios para estudiar cuestiones fundamentales de la física nuclear, en condiciones que nunca podrían reproducirse en la Tierra.

Debido a estas condiciones exóticas, los científicos aún no entienden qué es exactamente estrellas de neutrones ellos mismos están hechos de su llamada “ecuación de estado” (EoS). Determinar esto es un objetivo principal de la investigación astrofísica moderna. Una nueva pieza del rompecabezas, que restringe el rango de posibilidades, ha sido descubierta por un par de académicos de la IAS: Carolyn Raithel, becaria John N. Bahcall en la Facultad de Ciencias Naturales; y Elias Most, Miembro de la Escuela y John A. Wheeler Fellow en la Universidad de Princeton. Su trabajo fue publicado recientemente en Las cartas del diario astrofísico.

Idealmente, a los científicos les gustaría mirar dentro de estos objetos exóticos, pero son demasiado pequeños y distantes para ser fotografiados con telescopios estándar. En cambio, los científicos se basan en propiedades indirectas que pueden medir, como la masa y el radio de una estrella de neutrones, para calcular la EoS, de la misma manera que uno podría usar la longitud de dos lados de un triángulo rectángulo para calcular su hipotenusa. Sin embargo, el radio de una estrella de neutrones es muy difícil de medir con precisión. Una alternativa prometedora para futuras observaciones es utilizar en su lugar una cantidad llamada “frecuencia espectral máxima” (o f2) en su lugar.






Las estrellas de neutrones condenadas giran hacia su desaparición en esta animación. Las ondas gravitacionales (arcos pálidos) desangran la energía orbital, lo que hace que las estrellas se acerquen y se fusionen. A medida que las estrellas chocan, algunos de los desechos salen disparados en chorros de partículas que se mueven casi a la velocidad de la luz, produciendo un breve estallido de rayos gamma (magenta). Además de los chorros ultrarrápidos que alimentan los rayos gamma, la fusión también genera escombros que se mueven más lentamente. Un flujo de salida impulsado por la acumulación en el remanente de la fusión emite luz ultravioleta (violeta) que se desvanece rápidamente. Una densa nube de desechos calientes desprendida de las estrellas de neutrones justo antes de la colisión produce luz visible e infrarroja (azul-blanca a roja). El resplandor ultravioleta, óptico y del infrarrojo cercano se conoce colectivamente como kilonova. Más tarde, una vez que los restos del avión dirigido hacia nosotros se expandieron en nuestra línea de visión, se detectaron rayos X (azul). Esta animación representa fenómenos observados hasta nueve días después de GW170817. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Laboratorio CI

pero como es f2 ¿Medido? Las colisiones entre estrellas de neutrones, que se rigen por las leyes de la Teoría de la Relatividad de Einstein, conducen a fuertes ráfagas de emisión de ondas gravitacionales. En 2017, los científicos midieron directamente tales emisiones por primera vez. “Al menos en principio, la frecuencia espectral máxima se puede calcular a partir de la señal de onda gravitacional emitida por el remanente oscilante de dos estrellas de neutrones fusionadas”, dice Most.

Anteriormente se esperaba que f2 sería un proxy razonable para el radio, ya que, hasta ahora, los investigadores creían que existía una correspondencia directa, o “cuasi-universal”, entre ellos. Sin embargo, Raithel y Most han demostrado que esto no siempre es cierto. Han demostrado que determinar la EoS no es como resolver un simple problema de hipotenusa. En cambio, es más parecido a calcular el lado más largo de un triángulo irregular, donde también se necesita una tercera información: el ángulo entre los dos lados más cortos. Para Raithel y Most, esta tercera pieza de información es la “pendiente de la relación masa-radio”, que codifica información sobre la EoS en densidades más altas (y, por lo tanto, en condiciones más extremas) que el radio solo.

Este nuevo hallazgo permitirá a los investigadores que trabajan con la próxima generación de observatorios de ondas gravitacionales (los sucesores del LIGO actualmente en funcionamiento) utilizar mejor los datos obtenidos después de las fusiones de estrellas de neutrones. Según Raithel, estos datos podrían revelar los componentes fundamentales de la materia de las estrellas de neutrones. “Alguno predicciones teóricas sugieren que dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones, las transiciones de fase podrían disolver los neutrones en partículas subatómicas llamadas quarks”, afirmó Raithel. “Esto significaría que las estrellas contienen un mar de materia libre de quarks en sus interiores. Nuestro trabajo puede ayudar a los investigadores del mañana a determinar si tales transiciones de fase ocurrir realmente”.


Las ondas gravitacionales podrían probar la existencia del plasma de quarks-gluones


Más información:
Carolyn A. Raithel et al, Caracterización de la descomposición de la cuasiuniversalidad en las ondas gravitacionales posteriores a la fusión de las fusiones de estrellas de neutrones binarias, Las cartas del diario astrofísico (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac7c75

Citación: Nueva herramienta permite a los científicos observar el interior de las estrellas de neutrones (17 de octubre de 2022) consultado el 18 de octubre de 2022 en https://phys.org/news/2022-10-tool-scientists-peer-neutron-stars.html

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