Los científicos han descubierto que tres estrellas de neutronesnacidos en los fuegos de otras estrellas en explosión, se han enfriado sorprendentemente rápido, acercándonos a la comprensión de la naturaleza exótica de la materia dentro de los núcleos de estos objetos extremos.
El descubrimiento fue realizado por un equipo español liderado por Alessio Marino del Instituto de Ciencias Espaciales (ICE-CSIC) de Barcelona, utilizando telescopios espaciales europeos y americanos que funcionan con luz de rayos X.
Una estrella de neutrones es el núcleo colapsado de una estrella masiva que se ha ido supernovay puede contener hasta casi tres veces la masa de nuestro sol en un volumen esférico de aproximadamente 11 kilómetros (6,8 millas) de ancho. Toda esa materia compactada en un área tan pequeña significa que las estrellas de neutrones se encuentran entre las concentraciones más densas de materia en el universo conocido, solo superadas por agujeros negros. Para que esa afirmación sea más identificable, consideremos cómo una cucharada de material de estrella de neutrones sería comparable a la masa del Monte Everest.
Esta naturaleza extrema también significa que la física que gobierna el interior de las estrellas de neutrones sigue siendo turbia. Para empezar, estos objetos se llaman estrellas de neutrones porque su materia ha sido aplastada hasta tal punto que las cargas negativas electrones y cargado positivamente protones se aplastan, superando la fuerza electrostática entre ellos para formar un objeto lleno de neutro neutrones. En las profundidades del núcleo de una estrella de neutrones, la materia puede aplastarse en mayor medida, formando partículas exóticas y nunca antes vistas, como los hipotéticos hiperones. Tal vez, creen los científicos, o los propios neutrones podrían desintegrarse dentro de una estrella de neutrones, creando una sopa de el universoLas partículas más fundamentales: quarks.
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Lo que sucede dentro de una estrella de neutrones está gobernado por la ecuación de estado de la estrella de neutrones. Piense en esto como un manual que determina la estructura interna y la composición de una estrella de neutrones en función de aspectos como su masa, temperatura, campo magnético etcétera. El problema es que los científicos tienen literalmente cientos de opciones sobre lo que podría ser esta ecuación de estado. Dado que no podemos replicar en Tierra Las condiciones dentro de una estrella de neutrones, probar qué modelo es el correcto depende en gran medida de hacer coincidirlas con lo que nos dicen las observaciones astronómicas.
Ahora, sin embargo, el descubrimiento de tres estrellas de neutrones con temperaturas superficiales sustancialmente más bajas en comparación con otras estrellas de neutrones de edad similar ha proporcionado una gran pista, permitiendo a los investigadores descartar tres cuartas partes de los posibles modelos para la ecuación de estado de las estrellas de neutrones en una ataque. Dos de las estrellas de neutrones son púlsares, que son estrellas de neutrones que giran rápidamente y disparan haces de chorros de radio hacia nosotros. La tercera estrella de neutrones, en el remanente de supernova Vela Jr, no muestra comportamiento de púlsar, pero eso puede deberse simplemente a que sus chorros de radio no apuntan en nuestra dirección.
Las estrellas de neutrones fueron detectadas en longitudes de onda de rayos X por el Agencia Espacial Europea's Telescopio XMM-Newton y NASA's Observatorio de rayos X Chandra.
«La magnífica sensibilidad de 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», dijo Camille Diez, científica de XMM-Newton en el Espacio Europeo. Agencia, en un comunicado.
Cuanto más caliente es una estrella de neutrones, más enérgicos son sus rayos X, y la energía de los rayos X de estas tres estrellas de neutrones nos dice que son bastante frías en lo que respecta a las estrellas de neutrones. Decimos «frío», pero las estrellas de neutrones siguen siendo excepcionalmente calientes, con temperaturas que oscilan entre 1,9 millones y 4,6 millones de grados Celsius (3,4 millones y 8,3 millones de grados Fahrenheit). Sin embargo, para su corta edad, que oscila entre 840 y 7.700 años según el tamaño y la velocidad de expansión de los restos de supernova que los rodean, se los considera extraordinariamente fríos. Las estrellas de neutrones nacen con temperaturas de cientos de miles de millones, o incluso un billón de grados, y aunque se enfrían, otras estrellas de neutrones de edades similares tienen temperaturas dos veces más altas, a veces incluso más calientes.
Las estrellas de neutrones pueden enfriarse mediante dos mecanismos. Una es a través de la radiación térmica de sus superficies que permite que la energía térmica escape al frío de espacio. El otro es neutrino emisión, que roba energía del núcleo de una estrella de neutrones, y se cree que es responsable del rápido enfriamiento de este trío de estrellas de neutrones en particular.
Sin embargo, la rapidez con la que las estrellas de neutrones pueden enfriarse como resultado de estos mecanismos depende de la ecuación de estado.
«La corta edad y la fría temperatura superficial de estas tres estrellas de neutrones sólo pueden explicarse invocando un mecanismo de enfriamiento rápido», dijo en el periódico una de las investigadoras, Nanda Rea, del Instituto de Ciencias Espaciales y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña. declaración. «Dado que la refrigeración mejorada sólo puede activarse mediante determinadas ecuaciones de estado, esto nos permite excluir una parte importante de los modelos posibles».
¿Y no lo hicieron simplemente? El equipo estima que tres cuartas partes de todos los modelos posibles pueden descartarse después de este resultado. Los investigadores pudieron determinar esto calculando curvas de frío, que son básicamente gráficos que muestran cómo las estrellas de neutrones se enfrían con respecto a tiempo. La forma de la curva depende en gran medida de las propiedades de las estrellas de neutrones, como la masa y la intensidad del campo magnético, por lo que, mediante el uso del aprendizaje automático, el equipo calculó el rango de parámetros que mejor describen cada curva de enfriamiento y luego los comparó con el potencial. ecuaciones de estado, viendo cuáles aún coincidían y cuáles podrían descartarse por tener cero posibilidades de coincidir con los datos.
Este proceso ha reducido el rango de posibles ecuaciones de estado, pero los hallazgos van más allá de la simple caracterización de neutrones. estrellas. El comportamiento de la materia a escalas subatómicas bajo presión intensa, temperatura extrema y gravedad aplastante introduce cuántico efectos también. Actualmente los científicos carecen de teoría cuántica de la gravedady una ecuación de estado para las estrellas de neutrones podría, por lo tanto, encaminarnos hacia el logro de efectos cuánticos y de altagravedad la física por fin unida como una única teoría.
Los hallazgos se describen en un artículo publicado el 20 de junio en la revista Nature Astronomy.
