Explorando los misterios de las estrellas de neutrones con un sorprendente análogo terrestre

Desde que se descubrieron las estrellas de neutrones, los investigadores han utilizado sus inusuales propiedades para explorar nuestro universo. Restos superdensos de explosiones estelares, las estrellas de neutrones contienen una masa superior a la del Sol en una bola del tamaño de San Francisco. Una sola taza de esta materia estelar pesaría tanto como el Everest.

Estos extraños cuerpos celestes podrían alertarnos sobre perturbaciones distantes en el tejido del espacio-tiempo, enseñarnos sobre la formación de los elementos y desvelar los secretos del funcionamiento de la gravedad y la física de partículas en algunas de las condiciones más extremas del universo.

“Están en el centro de muchas preguntas abiertas en la astronomía y astrofísica”, afirma la astrofísica Vanessa Graber, del Instituto de Ciencias del Espacio de Barcelona.

Pero para interpretar con precisión algunas de las señales de las estrellas de neutrones, los investigadores deben comprender primero qué ocurre en su interior. Tienen sus corazonadas, pero experimentar directamente con una estrella de neutrones es imposible. Así que los científicos necesitan otra forma de poner a prueba sus teorías. El comportamiento de la materia en un objeto tan superdenso es tan complicado que ni siquiera las simulaciones por computadora están a la altura. Pero los investigadores creen haber encontrado una solución: un análogo terrestre.

Aunque las estrellas de neutrones jóvenes pueden tener temperaturas de millones de grados en su interior, según una importante medida energética a los neutrones se consideran “fríos”. Los físicos creen que esta es una característica que pueden aprovechar para estudiar el funcionamiento interno de las estrellas de neutrones. En lugar de mirar al cielo, los investigadores están observando nubes de átomos ultrafríos creadas en laboratorios en la Tierra. Y eso podría ayudarles a responder por fin a algunas preguntas que llevan mucho tiempo planteándose sobre estos enigmáticos objetos.

Curiosidades espaciales

La existencia de las estrellas de neutrones se propuso por primera vez en 1934, dos años después del descubrimiento del neutrón, cuando los astrónomos Walter Baade y Fritz Zwicky se preguntaron si tras la explosión de una supernova podría quedar un cuerpo celeste formado exclusivamente por neutrones. Aunque no acertaron en todos los detalles, su idea general goza hoy de gran aceptación.

Las estrellas se alimentan fusionando los núcleos de átomos más ligeros, creando átomos más pesados. Pero cuando las estrellas se quedan sin esos átomos más ligeros, la fusión nuclear se detiene y deja de haber una presión exterior que luche contra la fuerza interior de la gravedad. El núcleo se colapsa y la capa exterior de la estrella se precipita hacia el interior. Cuando esta capa choca con el núcleo denso, rebota y explota hacia el exterior, produciendo una supernova. El núcleo denso que queda después es una estrella de neutrones.

Fue hasta en los años sesenta que las hipotéticas estrellas de neutrones de Zwicky y Baade finalmente se detectaron. La radioastrónoma Jocelyn Bell Burnell se percató de la existencia de una extraña señal de ondas de radio que emitía pulsos regulares desde el espacio mientras trabajaba como estudiante de posgrado en la Universidad de Cambridge. Estaba detectando algo que nunca antes se había visto: un tipo especial de estrella de neutrones llamada púlsar, que emite haces de radiación a intervalos regulares mientras gira, como un faro. (Su asesor, junto con el director del observatorio —pero no Bell Burnell— recibieron más tarde el Premio Nobel por el descubrimiento).

Desde entonces, se han detectado miles de estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones, uno de los objetos más densos y de mayor presión del universo, podrían ayudarnos a comprender lo que ocurre con la materia a densidades extremadamente altas. Comprender su estructura y el comportamiento de la materia neutrónica que las compone es de suma importancia para los físicos.

Los científicos ya saben que los neutrones, protones y otras partículas subatómicas que componen una estrella de neutrones se disponen de forma diferente según el lugar de la estrella en el que se encuentren. En ciertas secciones, se empaquetan rígidamente como las moléculas de agua en un bloque de hielo. En otras, fluyen y se arremolinan como un fluido sin fricción. Pero los físicos no saben con exactitud dónde se produce la transición ni cómo se comportan las distintas fases de la materia.

Una estrella superdensa nacida de una bola de fuego nuclear parece, a primera vista, tener muy poco en común con una nube diluida de partículas ultrafrías. Pero pueden compartir al menos una característica útil: ambas están por debajo de un umbral conocido como temperatura de Fermi que depende —y se calcula en función— de la materia de la que está hecho cada sistema. Un sistema que esté muy por encima de esta temperatura se comportará en gran medida según las leyes de la física clásica; si está muy por debajo, su comportamiento se regirá por la mecánica cuántica. Tanto algunos gases ultrafríos como el material de las estrellas de neutrones pueden estar muy por debajo de sus temperaturas de Fermi y, por tanto, actuar de forma similar, dice Christopher Pethick, físico teórico del Instituto Niels Bohr de Copenhague y coautor de una revisión general temprana sobre las estrellas de neutrones publicada en 1975 en el Annual Review of Nuclear Science.

La materia que se encuentra por debajo de su temperatura de Fermi puede obedecer leyes extraordinariamente universales. Esta universalidad significa que, aunque no tenemos fácil acceso a la materia de estrellas de neutrones a varios millones de grados, podríamos aprender algo sobre su comportamiento experimentando con gases ultrafríos que pueden crearse y manipularse en cámaras de vacío en laboratorios en la Tierra, afirma el astrofísico teórico James Lattimer, de la Universidad Stony Brook de Nueva York, autor de un resumen de la ciencia de la materia nuclear en el Annual Review of Nuclear and Particle Science de 2012.

A Lattimer le interesa especialmente un estado teórico denominado gas unitario. Un gas es unitario cuando la esfera de influencia de cada una de sus partículas es infinita, es decir, que se influyen mutuamente sin importar la distancia a la que se encuentren. Esto es imposible en la realidad, pero las nubes de átomos ultrafríos pueden acercarse a ello —al igual que la materia en el interior de las estrellas de neutrones—. “Es similar a un gas unitario”, dice Lattimer, “pero no es un gas unitario perfecto”.

Regresando a la Tierra

Durante mucho tiempo, la relación exacta entre la presión de un gas y su densidad fue demasiado compleja para calcularla con precisión. Pero cuando los físicos experimentales desarrollaron la capacidad de controlar nubes de átomos fríos y ajustarlas para que se aproximaran mucho, mucho, a un gas unitario, se abrió una nueva vía para determinar las propiedades de ese gas: basta con medirlo directamente, en lugar de esforzarse por manejar las complicadas matemáticas en una computadora.

En realidad, estas nubes de átomos ultrafríos están más cerca de ser un gas unitario que la materia de las estrellas de neutrones, por lo que la analogía no es perfecta. Pero es lo bastante parecida como para que Lattimer haya podido tomar medidas del gas casi unitario de las nubes de átomos fríos y aplicarlas a la materia de neutrones para refinar algunos de los modelos teóricos que describen el funcionamiento interno de las estrellas de neutrones. Y los experimentos con átomos fríos pueden ayudar a los científicos a desarrollar teorías sobre la física que podría estar en juego en algunos fenómenos inexplicables de las estrellas de neutrones.

En concreto, Graber y otros científicos esperan encontrar pistas sobre uno de los mayores misterios, los llamados fallos de los púlsares. Por lo general, el tic-tac regular de un “reloj” púlsar es tan fiable que su precisión rivaliza con la de los relojes atómicos. Pero no siempre es así: a veces, la velocidad de rotación del púlsar aumenta bruscamente, provocando un fallo. No está claro de dónde procede ese impulso adicional. La respuesta está en cómo se mueve la materia dentro de una estrella de neutrones.

Tanto los gases fríos como la materia neutrónica de algunas partes de una estrella de neutrones son superfluidos —las partículas fluyen sin ningún tipo de fricción—. Cuando un superfluido gira, se forman pequeños remolinos o vórtices. La forma exacta en que estos vórtices se mueven e interactúan entre sí y con otras estructuras en el interior de una estrella de neutrones en rotación sigue siendo una incógnita. “Probablemente no se trate de una bonita red regular de vórtices”, afirma Michael McNeil Forbes, que estudia física teórica en la Universidad Estatal de Washington en Pullman. “Podría ser una maraña de vórtices que está en toda la estrella. No lo sabemos”.

Forbes y otros investigadores sospechan que los fallos que observan en la rotación de los púlsares tienen algo que ver con la forma en que estos vórtices se “fijan” a las estructuras de la estrella. Por lo general, un vórtice serpentea libremente alrededor de un fluido. Pero cuando el fluido contiene un área de materia rígida que obstruye el movimiento del vórtice, este se detiene y a veces incluso envuelve el objeto rígido con sus brazos giratorios y se coloca de modo que su centro queda justo encima de él.

Los vórtices tienden a quedar fijados de este modo, pero a veces pueden desengancharse y alejarse del objeto. Cuando esto ocurre, el flujo de fluido ejerce una torsión sobre el objeto. Si cientos de miles de vórtices se desprenden a la vez de varias estructuras de una estrella de neutrones, pueden acelerar repentinamente la rotación de la estrella. Forbes explica cómo es posible que tantos vórtices se desprendan a la vez: “Es como dejar caer arena sobre un montón de arena… no ocurre nada realmente hasta que… se produce toda una avalancha”.

Pero es casi imposible para las computadoras clásicas calcular con exactitud todos los entresijos de la danza de tantos vórtices a la vez. Así que Forbes planea asociarse con grupos experimentales que puedan formar estos vórtices en sus nubes de átomos fríos y ver qué ocurre. La idea es utilizar “experimentos con átomos fríos como computadoras cuánticas analógicas para calcular cosas que no podemos hacer de ninguna otra forma”, afirma.

Los investigadores están ocupados examinando cómo otros fenómenos ultrafríos que observan regularmente en el laboratorio pueden inspirar nuevas líneas de investigación sobre el comportamiento de las estrellas de neutrones. Recientemente, Graber y sus colegas esbozaron tantas posibilidades que necesitaron 125 páginas para publicarlas todas. En 2019, docenas de astrónomos, físicos nucleares y físicos de gases ultrafríos de todo el mundo se reunieron para discutir más de las sorprendentes conexiones entre sus campos. Los investigadores apenas están empezando a poner a prueba algunas de las ideas generadas en estas lluvias de ideas.

También están aprendiendo más de las propias estrellas, dice Pethick. “Es un campo apasionante, porque en estos momentos llegan muchas observaciones”.

Con mejores telescopios y nuevos métodos para obtener propiedades sobre el inescrutable interior de una estrella de neutrones, los científicos esperan averiguar hasta dónde puede llevarse esta analogía entre átomos fríos y estrellas de neutrones.

Artículo traducido por Debbie Ponchner