15/Sep/04

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Científicos avistan materia exótica en una estrella de neutrones

Unos astrónomos han obtenido la mejor medición hasta la fecha del tamaño y los contenidos de una estrella de neutrones, un objeto ultradenso que contiene la materia más extraña y rara del universo.

La medición podría conducir a un mejor entendimiento de los "bloques constructivos" que componen la naturaleza: protones, neutrones y sus quarks constitutivos, ya que éstos son comprimidos dentro de la estrella de neutrones hasta una densidad trillones de veces mayor que la terrestre.

Tod Strohmayer, del Centro de Vuelo Espacial Goddard, de la NASA, en Greenbelt, Maryland, y Adam Villarreal, un estudiante graduado en física de la Universidad de Arizona, presentaron sus resultados en la Sociedad Americana Astronómica de Alta Energía, División de Astrofísica, en un encuentro en New Orleans.

Strohmayer y Villarreal estiman que la estrella es unas 1,8 veces más masiva que el Sol —levemente más masiva de lo esperado— y tiene un radio de unos 11,5 Km. Es parte de un sistema binario denominado EXO 0748-676, ubicado a 30 mil años luz de distancia en la constelación Volans, del Hemisferio Sur, también llamada Pez Volador.

Los científicos usaron un equipo Rossi de exploración de datos por rayos X para medir cuán rápido gira la estrella de neutrones. La velocidad de giro, o spin, era el factor desconocido que necesitaban para estimar el tamaño y la masa totales de la estrella. Sus resultados coinciden con una estimación de la relación entre masa y radio hecha por la Agencia Espacial Europea, mediante observaciones satelitales con rayos X, en el 2002.

La tan buscada relación entre masa y radio define la densidad interna de la estrella de neutrones y sus relaciones de presión, es decir, su ecuación de estado.

"Los astrofísicos estuvieron intentando por décadas definir la ecuación de estado de la materia de una estrella de neutrones", dice Villarreal. "Nuestros resultados constituyen una promesa de cumplir ese objetivo. Al parecer, las ecuaciones de estado pueden predecir si las estrellas muy grandes o muy pequeñas pueden excluirse".

Si conocen la ecuación de estado de una estrella de neutrones, los físicos pueden determinar qué clase de materia puede existir dentro de dicha estrella. Los científicos necesitan entender dichas materias exóticas para probar teorías que describen la naturaleza fundamental de la materia y la energía, y la fuerza de las interacciones nucleares.

"Nos gustaría realmente mucho poner nuestras manos en el material que hay en el centro de una estrella de neutrones", dice Strohmayer. "Pero como no podemos hacer eso, esto es la mejor cosa que podemos hacer en su lugar. Una estrella de neutrones es un laboratorio cósmico, y provee una oportunidad única de ver los efectos de la materia comprimida en un grado semejante".

Una estrella de neutrones es el núcleo remanente de una estrella que alguna vez fue mayor que el Sol. Su interior contiene materia bajo fuerzas que quizá existieron en el momento del Big Bang, pero que no pueden ser duplicadas en la Tierra.

En dicho sistema, el gas proveniente de otra estrella acompañante de tipo "normal" es atraído por gravedad y se zambulle en la estrella de neutrones. Esto desencadena explosiones termonucleares en la superficie de la estrella, y la región se ilumina. Estas explosiones a menudo revelan la velocidad de rotación de la estrella de neutrones, mediante una oscilación en la emisión de rayos X, conocida como oscilación por explosión.

Strohmayer y Villarreal detectaron una frecuencia de oscilación por explosión de 45 hertz, lo que corresponde a una estrella de neutrones con una velocidad de rotación de 45 revoluciones por segundo. Este es un paso pausado para las estrellas de neutrones, que pueden llegar a tener velocidades de rotación de hasta 600 revoluciones por segundo.

Ellos a continuación capitalizaron sobre observaciones con un EXO 0748-676 las realizadas con un satélite ESA's XMM-Newton por Jean Cottam, de NASA Goddard, en el 2002. El equipo de Cottam detectó líneas espectrales emitidas por gas caliente, líneas que se parecen a las de un electrocardiograma.

Estas líneas tenían dos características. Primero, cambiaban por efecto Doppler. Esto significa que la energía detectada era un promedio de la rotación de la luz alrededor de la estrella de neutrones, moviéndose lejos de nosotros y luego hacia nosotros. En segundo lugar, las líneas estaban corridas al rojo por la gravitación. Esto significa que la gravedad tiraba de la luz, como si ésta tratara de escapar de la región, robándole un poco de su energía. La medición del corrimiento al rojo gravitacional brindó la primera estimación de la relación entre el radio y la masa, dado que el grado de corrimiento al rojo depende de la masa y el radio de la estrella de neutrones.

Strohmayer y Villarreal determinaron la frecuencia de 45 hertz y observaron anchos de líneas por efecto Doppler consistentes con un radio de estrella de neutrones de entre 9,5 y 15 Km, con una estimación óptima de 11,5 Km. Usaron el radio y la relación entre masa y radio para calcular la masa de la estrella de neutrones, lo cual dio como resultado una masa entre 1,5 y 2,3 veces la masa del Sol, con un estimado óptimo de 1,8 masas solares.

La teoría dice que la corteza de la estrella de neutrones es de una milla de ancho, aproximadamente. Bajo la misma probablemente hay un superfluido de neutrones. La extrema gravedad ha comprimido los protones y electrones hasta hacerlos neutrones.

El resultado obtenido sustenta la teoría de que la materia en una estrella neutrónica en el EXO 0748-676 está comprimida tan apretadamente que casi todos los protones y electrones quedan próximos que se vuelven neutrones, y nada en forma de superfluido, un líquido que fluye sin fricción. Sin embargo, la materia no está tan comprimida como para liberar quarks, lo que sí ocurre en una estrella de quarks.

"Quizá lo más exitante es que ahora nosotros tenemos una técnica observacional que nos permite medir la relación entre masa y radio de otras estrellas de neutrones", dice Villarreal.

Una misión ya propuesta a la NASA; llamada Observatorio de Constelaciones por Rayos X, podría realizar dichas mediciones, pero con mucha menor precisión, para cierta cantidad de sistemas de estrellas de neutrones.