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NICER estudia el interior de Estrellas de Neutrones

Fecha: 24 de abril de 2021
Fuente: NASA’s NICER Probes the Squeezability of Neutron Stars
Autor: Jeanette Kazmierczak
traducido por: gienini

NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer – Explorador de composición interna de Estrellas de Neutrones) es el telescopio de Rayos-X de la NASA ubicado en la ISS (International Space Station - Estación Espacial Internacional).

NICER en el lado inferior del mástil ELC-2 de la ISS

Gracias a las observaciones de NICER se están refinando los modelos teóricos de las Estrellas de Neutrones.
Las observaciones de PSR J0740 + 6620 (en adelante J0740) indican que la materia de las Estrellas de Neutrones no es tan comprimible como se preveía.
J0740 es la Estrella de Neutrones más masiva conocida (unas 2,1 veces la masa del Sol). Se encuentra a 3.600 años luz en la constelación norteña Camelopardalis en un sistema estelar binario con una enana blanca (el remanente de enfriamiento de una estrella similar al Sol o de hasta 9 masas solares) y gira 346 veces por segundo.
Una Estrella de Neutrones es el remanente de una estrella de entre 9 y 30 masas solares luego de un evento de Supernova. Son objetos tan compactos como el núcleo de un átomo. Concentran 2 (y quizás 3) veces la masa del Sol en un diámetro de 24km.
Si la estrella original hubiera sido de más de 30 masas solares el evento de supernova habría dejado un Agujero Negro como remanente.

“Estamos rodeados de materia normal, la materia de nuestra experiencia diaria, pero hay mucho que no sabemos sobre cómo se comporta la materia y cómo se transforma en condiciones extremas” dijo Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER en el Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA (en adelante: NASA GSFC) en Greenbelt, Maryland. “Al medir los tamaños y masas de las Estrellas de Neutrones con NICER, estamos explorando la materia a punto de implosionar en un agujero negro. Una vez que eso sucede, ya no podemos estudiar la materia porque está oculta por el horizonte de sucesos”.
Antes que eso ocurra se verifican estos modelos teóricos con las observaciones de masa, diámetro y velocidades de rotación.
Arzoumanian y los miembros del equipo de NICER presentaron sus hallazgos el 17 de abril de 2021 en una reunión virtual de la Sociedad Estadounidense de Física, y los artículos que describen los hallazgos y sus implicaciones ahora están siendo objeto de revisión científica.


Crédito: NASA’s Goddard Space Flight Center
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En la superficie de una Estrella de Neutrones una fina atmósfera de escasos centímetros compuesta de átomos de hidrógeno o helio (muy comprimida por la gran presión debida a la gravedad) yace sobre una corteza ultra densa.
Si esta fina capa se acrecienta por el aporte de más materia puede llegar a presiones y temperaturas tan elevadas que enciendan la fusión. Son los eventos de Nova.
En la corteza, las enormes presiones desacoplan núcleos y electrones. Más abajo, en el núcleo externo, los núcleos se dividen en neutrones y protones. La inmensa presión aplasta los protones y los electrones para formar un mar de neutrones en su mayoría que eventualmente se empaquetan hasta dos veces la densidad de un núcleo atómico.
En el núcleo interior solo se puede conjeturar que hay Neutrones o que los mismos Neutrones se deshacen en los Quarks que los constituyen. El núcleo de Quarks o una Estrella de Quarks son de momento hipotéticos objetos sin un claro modelo.

Esquema del modelo en capas de una Estrella de Neutrones y los componentes de su materia

Desde que Walter Baade y Fritz Zwicky propusieron la existencia de Estrellas de Neutrones en 1934 se han planteado varios modelos de cómo la materia se comprime en esas capas. Para cotejar esos modelos los astrónomos necesitan medidas de los tamaños y masas de estos objetos. Esto permitiría calcular la relación entre la presión y la densidad en el núcleo interno de la estrella y evaluar la capacidad de compresión final de esa materia.
En modelos tradicionales de Estrellas de Neutrones típicas (aproximadamente 1,4 veces masas solares) los físicos esperan que el núcleo interno esté mayormente lleno de neutrones. Con una densidad baja se asegura que los neutrones estan lo suficientemente separados para permanecer intactos y esta rigidez interna daría como resultado una estrella más grande.
En Estrellas de Neutrones más masivas como J0740, la densidad del núcleo interno sería mayor, lo que haría suponer que los neutrones se acercarían más. No está claro si los neutrones pueden permanecer intactos en estas condiciones o si en cambio, se descomponen en quarks. Se sospecha que esas presiones serían del orden de la que mantiene la cohesión de los Hadrones, pero quedan muchos detalles sin precisar. Para avanzar en esos modelos es necesario valerse de datos reales como la masa y el tamaño de la observación de una Estrella de Neutrones masiva. Una estrella más pequeña favorecería escenarios en los que los quarks deambulan libremente en las profundidades más internas porque las partículas más pequeñas pueden empaquetarse más. Una estrella más grande supondría presiones mayores y sugeriría la presencia de formas más complejas de materia.
Para obtener las medidas precisas necesarias, NICER observa también púlsares (Estrellas de Neutrones que giran rápidamente) descubiertas en 1967 por Jocelyn Bell Burnell. Estas estrellas suelen tener puntos calientes brillantes que emiten Rayos-X en sus superficies. A medida que los púlsares giran sus puntos aparecen y desaparecen de la vista -como los rayos de un faro- produciendo variaciones en su brillo.
La gravedad de estas densas estrellas deforma su espacio-tiempo cercano. Esta distorsión es tan fuerte que los rayos de la parte lejana del astro se curvan dejando “ver” parte de esa cara que estaría oculta.
En un Agujero Negro esta distorsión permite "ver" toda la parte que estaría tras la visión del observador. Todo el Horizonte de Sucesos se vería desde todos lados. La sombra que vemos es el doble del Horizonte de sucesos. El radio queda duplicado a la vista, el propio del Horizonte más el del lado lejano. El rayo que saliera cerca del Horizonte daría 2 o más vueltas antes de salir libre hacia el observador.

La distorsión en la visión de una Estrella de Neutrones hace que parezca más grande de lo que realmente es

Con NICER se aprovechan también esos efectos y además hace más de 10.000 “radiografías” por segundo. Al rastrear cómo varía 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 comparar esa distorsión con su tamaño.
Dos equipos utilizaron diferentes enfoques para el tamaño del modelo J0740. Un grupo dirigido por Thomas Riley y Anna Watts, investigador postdoctoral y profesora de astrofísica en la Universidad de Amsterdam, respectivamente, estima que el púlsar tiene 24,8 kilómetros de diámetro. Un equipo dirigido por Cole Miller, profesor de astronomía en la Universidad de Maryland - College Park, lo estimó en 27,4 kilómetros. Las estimaciones están comprendidas en los límites teóricos.
Además de los datos de NICER, ambos grupos también incluyeron observaciones de Rayos-X del satélite XMM-Newton de la esa (Agencia Espacial Europea) que fueron útiles para contabilizar el ruido de fondo. La masa de J0740 se determinó previamente mediante mediciones de radio realizadas por científicos del NANOgrav (Observatorio de Nanohercios de América del Norte para las ondas gravitacionales) y la colaboración del Experimento canadiense de mapeo de la intensidad del Hidrógeno.
En 2019, los equipos de Riley y Miller utilizaron datos de NICER para estimar tanto el tamaño como la masa del Púlsar J0030 + 0451 (J0030 en adelante). Determinaron que tenía aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol y un diámetro de 26 kilómetros.
“Nuestras nuevas mediciones del J0740 muestran que aunque es casi un 50% más masivo que el J0030, es esencialmente del mismo tamaño” dijo Watts. “Eso desafía algunos de los modelos más comprimibles de núcleos de Estrellas de Neutrones, 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 comprimibles 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.
“El tamaño de J0740 tiene a los teóricos desconcertados y emocionados” dijo Sanjay Reddy, profesor de física en la Universidad de Washington que estudia la materia en condiciones extremas (no participó en este estudio). “Las mediciones de NICER, combinadas con otras observaciones, parecen apoyar la idea de que la presión aumenta rápidamente en los núcleos masivos de Estrellas de Neutrones. Si bien esto desfavorece las transiciones a formas de materia más comprimibles en el núcleo, sus implicaciones aún no se han entendido por completo”.
El equipo de Miller también determinó qué tan bien los científicos pueden estimar el tamaño de un Púlsar, utilizando las mediciones J0740 y J0030 de NICER para complementar la información existente de otros púlsares pesados y eventos de ondas gravitacionales (colisiones de Estrellas de Neutrones o Agujeros Negros).
“Ahora conocemos el radio de una Estrella de Neutrones estándar con 1,4 veces la masa del Sol con una incertidumbre del 5%” dijo Miller. NICER no solo está reescribiendo los libros de texto sobre Estrellas de Neutrones, sino que también está revolucionando nuestra confianza en nuestras mediciones 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 un nuevo medio para explorar los vastos alcances del 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 para pilotar naves espaciales robóticas a los confines del sistema solar y más allá.

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