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

Fusión de estrellas de neutrones y ondas gravitacionales producidas por el Centro de Vuelo Espacial Creedy/Goddard de la NASA

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 materia natural en la Tierra por un factor de decenas de billones.

Las estrellas de neutrones son objetos astrofísicos inusuales por derecho propio, pero su extrema densidad también puede permitirles servir como laboratorios para estudiar cuestiones fundamentales de la física nuclear, en condiciones que nunca podrían reproducirse en la Tierra.

Debido a estas extrañas condiciones, los científicos aún no entienden exactamente de qué están hechas las estrellas de neutrones, la llamada «ecuación de estado» (EoS). Determinar esto es el principal objetivo de la investigación astrofísica moderna. Dos investigadores del IAS han descubierto una nueva pieza del rompecabezas, que restringe el rango de posibilidades: Caroline Raethel, becaria John N. Bahkal en la Facultad de Ciencias Naturales; Y Elias Most, miembro de la escuela y John A. Wheeler en la Universidad de Princeton. Su trabajo fue publicado recientemente en The Astrophysical Journal Letters.

Idealmente, a los científicos les gustaría echar un vistazo a estos extraños objetos, pero son demasiado pequeños y están demasiado lejos para ser fotografiados con telescopios estándar. En cambio, los científicos confían en las propiedades indirectas que pueden medir, como la masa y el radio de una estrella de neutrones, para calcular EoS, de la misma manera que se podría usar la longitud del lado de un triángulo rectángulo para calcular la hipotenusa. Sin embargo, es muy difícil medir con precisión el radio de una estrella de neutrones. Una alternativa prometedora para futuras observaciones es utilizar una cantidad llamada «frecuencia espectral máxima» (o f2) en su lugar.

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Pero, ¿cómo se mide f2? Las colisiones entre estrellas de neutrones, regidas por las leyes de la teoría de la relatividad de Einstein, dan lugar a potentes estallidos de emisión de ondas gravitacionales. En 2017, los científicos midieron estas emisiones directamente por primera vez. «Al menos en principio, el pico de frecuencia espectral se puede calcular a partir de la señal de onda gravitacional emitida por los remanentes oscilantes de dos estrellas de neutrones que se fusionan», dice Most.

Anteriormente se esperaba que f2 fuera un proxy razonable para el radio, ya que los investigadores creían, hasta ahora, que tenía una correspondencia directa o «casi universal» entre ellos. Sin embargo, Raithel y Most demuestran que esto no siempre es cierto. Muestran que identificar EoS no es lo mismo que resolver un simple problema de cuerdas. En cambio, es más como calcular el lado más largo de un triángulo irregular, ya que 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 ‘relación masa-radio pendiente’, que codifica información sobre EoS a mayor densidad (y por lo tanto, condiciones más extremas) que el radio solo.

Este nuevo descubrimiento permitirá a los investigadores trabajar con la próxima generación de observatorios de ondas gravitacionales (sucesores del LIGO actualmente en funcionamiento) para hacer un mejor uso de los datos obtenidos después de la fusión de estrellas de neutrones. Según Raithel, estos datos podrían revelar los componentes básicos de la materia de las estrellas de neutrones. «Algunas predicciones teóricas sugieren que dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones, las transiciones de fase pueden disolver los neutrones en partículas subatómicas llamadas quarks», dijo Raythel. Esto significa que las estrellas contienen un mar de materia libre de quarks en su interior. Nuestro trabajo puede ayudar a los investigadores del mañana a determinar si tales cambios de fase realmente están ocurriendo».

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