La estrella de neutrones NASA Interior Composition Explorer (NICER), en el centro, es un telescopio de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional. Crédito: NASA
La materia en los corazones de las estrellas de neutrones, los densos restos de estrellas masivas en explosión, toma la forma más extrema que podemos medir. Ahora, gracias a los datos de la estrella de neutrones NASA Interior Composition Explorer (NICER), un telescopio de rayos X en la Estación Espacial Internacional, los científicos han descubierto que esta misteriosa materia es menos susceptible a la compresión de lo que algunos físicos habían predicho.
El descubrimiento se basa en observaciones de NICER PSR J0740 + 6620 (J0740 para abreviar), la estrella de neutrones más masiva conocida, ubicada a más de 3.600 años luz de distancia en la constelación norteña Camelopardalis. J0740 está en un sistema estelar binario con una estrella enana blanca, el remanente de enfriamiento de una estrella similar al sol, y gira 346 veces por segundo. Observaciones anteriores mostraron que la masa de la estrella de neutrones es aproximadamente 2,1 veces la del sol.
“Estamos rodeados de materia normal, el tema de nuestra experiencia diaria, pero hay muchas cosas que no sabemos sobre cómo se comporta la materia y se transforma en condiciones extremas”, dijo Zaven Arzoumanian, director de investigación de NICER en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt. En Maryland. “Al medir los tamaños y masas de las estrellas de neutrones con NICER, estudiamos la materia en el borde de la implosión de un agujero negro. Cuando 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 American Physical Society, y los artículos que describen los hallazgos y sus implicaciones se encuentran actualmente bajo 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 explota en una supernova. Las más pesadas de estas estrellas en explosión dejan agujeros negros. De estos, los más ligeros son estrellas de neutrones nacidas, que tienen más masa que el Sol en una esfera tan ancha como la isla de Manhattan en la ciudad de Nueva York.
Los científicos creen que las estrellas de neutrones tienen capas. En la superficie, la fina atmósfera de átomos de hidrógeno o helio descansa sobre la capa sólida de los átomos más pesados. En la corteza, un fuerte aumento de la presión elimina los electrones de los núcleos atómicos. Más profundo, en el núcleo externo, los núcleos se dividen en neutrones y protones. La enorme presión aplasta los protones y los electrones, creando un mar de neutrones en su mayoría que finalmente se empaquetan con una densidad de hasta el doble de la densidad de un núcleo atómico.
Pero, ¿qué forma toma la materia en el núcleo interno? ¿Son neutrones hasta el fondo o los neutrones se están desintegrando en sus propias partes constituyentes, llamadas quarks?
Los físicos se han hecho esta pregunta desde que Walter Baade y Fritz Zwicky propusieron la existencia de estrellas de neutrones en 1934. Para responder a esta pregunta, los astrónomos necesitan mediciones precisas tanto del tamaño como de la masa 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 resistencia máxima a la compresión de la materia.
En los modelos tradicionales de una estrella de neutrones típica, una con una masa de 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 se mantengan 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 aplasten más juntos. No está claro si los neutrones pueden permanecer intactos en estas condiciones o si se descomponen en quarks. Los teóricos sospechan que se están desmoronando bajo presión, pero quedan muchas preguntas sobre los detalles. Para obtener respuestas, los científicos deben medir con precisión el tamaño de una estrella de neutrones masiva. Una estrella más pequeña favorecería escenarios en los que los quarks viajan libremente en las profundidades más profundas porque las partículas más pequeñas pueden estar más juntas. Una estrella más grande sugeriría la presencia de formas más complejas de materia.
Para obtener las medidas exactas 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 del campo de visión como los rayos de un faro, lo que provoca cambios 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 dirigir la luz del otro lado de la estrella, una luz que de otro modo no sería detectada, hacia nosotros, haciendo que el púlsar parezca más grande de lo que realmente es. El mismo peso en un paquete más pequeño provoca mayores distorsiones. 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 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. Fuente: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio de imágenes conceptuales
Los científicos pueden aprovechar estos efectos porque NICER mide la llegada de cada radiografía con una precisión mejor que 100 nanosegundos. Al rastrear cómo cambia 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 tamaño.
Los dos equipos utilizaron diferentes enfoques para modelar el tamaño del J0740. Un grupo dirigido por Thomas Riley y Anna Watts, una científica con doctorado y profesora de astrofísica en la Universidad de Amsterdam, respectivamente, estimó que el púlsar tenía aproximadamente 15,4 millas (24,8 km) de diámetro. Un equipo dirigido por Cole Miller, profesor de astronomía en la Universidad de Maryland en College Park, encontró que J0740 tenía unos 27,4 kilómetros de ancho. Estos dos puntajes se superponen significativamente en términos de su incertidumbre, que van desde 14,2 a 17 millas (22,8 a 27,4 km) y 15,2 a 20,2 millas (24,4 a 32,6 km) 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 calcular el ruido de fondo. La masa de J0740 fue determinada previamente mediante mediciones de radio por científicos del Observatorio de ondas gravitacionales de Nanohertz de América del Norte y el Experimento de Mapeo de Intensidad del Hidrógeno de Canadá.
En 2019, los equipos de Riley y Miller utilizaron datos de NICER para estimar tanto el tamaño como la masa del púlsar J0030 + 0451 (o J0030). Determinaron que el objeto tenía aproximadamente 1,4 masas solares y 16 millas (26 kilómetros) de diámetro.
“Nuestras nuevas mediciones del J0740 muestran que si bien es casi un 50% más masivo que el J0030, es esencialmente del mismo tamaño”, dijo Watts. “Esto desafía algunos de los modelos de núcleos de estrellas de neutrones más comprimibles, 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 extensibles 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 a la luz de esta nueva información de NICER.
La gravedad de la 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 dirigir la luz del otro lado de la estrella hacia nosotros, haciendo que la estrella parezca más grande de lo que realmente es. Fuente: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR)
“El tamaño del J0740 nos ha dejado a los teóricos asombrados y emocionados”, dijo Sanjay Reddy, profesor de física de la Universidad de Washington que estudia la materia en condiciones extremas pero que no participó en el descubrimiento. Las mediciones de NICER, junto con otras observaciones multidimensionales, parecen respaldar la tesis de que la presión en los núcleos masivos de estrellas de neutrones está aumentando rápidamente. Si bien esto no conduce a la transición a formas más comprimidas de materia en el núcleo, sus consecuencias no han aún se ha entendido completamente ‘.
El equipo de Miller también determinó qué tan bien los científicos pueden estimar el tamaño de un púlsar utilizando las mediciones NICER J0740 y J0030 para complementar la información existente de otros púlsares pesados y eventos de ondas gravitacionales, ondas espacio-temporales generadas por colisiones de objetos masivos como estrellas de neutrones y negrura. agujeros.
“Ahora conocemos el radio de una estrella de neutrones estándar 1,4 veces la masa del sol, con una incertidumbre del 5%”, dijo Miller. “Es como conocer el tamaño de Washington con una precisión de aproximadamente un cuarto de milla. NICER no solo reescribirá libros de texto sobre estrellas de neutrones, sino que también revolucionará nuestra confianza en la medición 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 nuevas formas de estudiar vastas extensiones de 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 de pilotar robots espaciales a rincones remotos del sistema solar y más allá.
“NICER fue un gran miembro de la tripulación”, dijo la astronauta de la NASA Christina Koch, quien se desempeñó como ingeniera de vuelo de 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 básica pionera, ciencia espacial e innovación tecnológica, todo posible gracias al entorno y la plataforma únicos de un laboratorio en órbita ”.
Proporcionado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA