estrellas de neutrones, púlsar
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| Los restos de una supernova presenciada en el año 1054, la Nebulosa del Cangrejo, contiene una estrella de neutrones que gira rápidamente conocida como púlsar. Fuente: NASA: RAYOS X: CHANDRA (CXC), ÓPTICA: HUBBLE (STSCI), INFRARROJOS: SPITZER (JPL-CALTECH) |
Los gases ultrafríos en el laboratorio podrían ayudar a los científicos a comprender mejor el universo
10 julio 2023.- Desde que se descubrieron las estrellas de neutrones, los investigadores han estado utilizando sus propiedades inusuales para investigar nuestro universo. Los restos superdensos de las explosiones estelares, las estrellas de neutrones, acumulan una masa mayor que la del Sol en una bola del tamaño de la comunidad de Madrid. Una sola taza de esta materia estelar pesaría tanto como el Monte Everest.
Estos extraños cuerpos celestes podrían alertarnos sobre perturbaciones distantes en el tejido del espacio-tiempo, enseñarnos sobre la formación de elementos y descubrir los secretos de cómo funcionan la gravedad y la física de partículas en algunas de las condiciones más extremas del universo.
Pero para interpretar con precisión algunas de las señales de las estrellas de neutrones, los investigadores primero deben entender qué sucede dentro de ellas. Tienen sus corazonadas, pero experimentar directamente con una estrella de neutrones está fuera de discusión. Entonces, los científicos necesitan otra forma de probar sus teorías. El comportamiento de la materia en un objeto tan superdenso es tan complicado que incluso las simulaciones por computadora no están a la altura. Pero los investigadores creen que pueden 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 medida energética importante, los neutrones se consideran "fríos". Los físicos creen que es una característica que pueden aprovechar para estudiar el funcionamiento interno de las estrellas de neutrones. En lugar de mirar al cielo, los investigadores observan nubes de átomos ultrafríos creados en laboratorios aquí en la Tierra. Y eso podría ayudarlos finalmente a responder algunas preguntas sobre estos enigmáticos objetos.
Rarezas espaciales
La existencia de estrellas de neutrones se propuso por primera vez en 1934, dos años después del descubrimiento del propio neutrón, cuando los astrónomos Walter Baade y Fritz Zwicky se preguntaron si podría quedar un cuerpo celeste hecho completamente de neutrones después de la explosión de una supernova. Aunque no acertaron en todos los detalles, su idea general ahora es ampliamente aceptada.
Las estrellas se alimentan fusionando los núcleos de los átomos más ligeros con los de los átomos más pesados. Pero cuando las estrellas se quedan sin esos átomos más livianos, la fusión nuclear se detiene y ya no hay una presión externa para luchar contra la fuerza de gravedad interna. El núcleo colapsa y la capa exterior de la estrella corre hacia adentro. Cuando esta capa golpea el núcleo denso, rebota y explota hacia afuera, produciendo una supernova. El núcleo denso que queda después, es una estrella de neutrones.
No fue hasta la década de 1960 que finalmente se detectaron las hipotéticas estrellas de neutrones de Zwicky y Baade. La radioastrónoma Jocelyn Bell Burnell notó una extraña señal de onda de radio pulsada regularmente 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, recibió más tarde el Premio Nobel por el descubrimiento).
Desde entonces, se han detectado miles de estrellas de neutrones. Como algunos de los objetos más densos y de mayor presión del universo, las estrellas de neutrones podrían ayudarnos a aprender sobre lo que le sucede a la materia en densidades extremadamente altas. Comprender su estructura y el comportamiento de la materia neutrónica que los 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 organizan de manera diferente según el lugar de la estrella en el que se encuentren. En ciertas secciones, se empaquetan rígidamente como moléculas de agua en un bloque de hielo. En otros, fluyen y se arremolinan como un fluido sin fricción. Pero exactamente dónde ocurre la transición y cómo se comportan las diferentes fases de la materia, los físicos no están seguros.
Esta animación de un púlsar muestra cómo, al igual que un faro, los púlsares emiten haces de luz a intervalos regulares a medida que giran. Fuente: NASA / CENTRO DE VUELO ESPACIAL GODDARD
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: ambos están por debajo de un umbral conocido como la temperatura de Fermi que depende y se calcula en función de la materia de la que está hecho cada sistema. Un sistema que está muy por encima de esta temperatura se comportará en gran medida de acuerdo con las leyes de la física clásica; si está muy por debajo, su comportamiento estará regido por la mecánica cuántica.
Ciertos gases ultrafríos y material de estrellas de neutrones pueden estar muy por debajo de sus temperaturas de Fermi y, en consecuencia, pueden actuar de manera similar, dice Christopher Pethick, físico teórico del Instituto Niels Bohr en Copenhague y coautor de una descripción general temprana de las estrellas de neutrones en 1975 Revista Anual de Ciencias Nucleares .
La materia que está por debajo de su temperatura de Fermi puede obedecer leyes notablemente universales. Esta universalidad significa que, si bien no tenemos fácil acceso a la materia de estrellas de neutrones de varios millones de grados, podemos aprender algo de su comportamiento al experimentar con gases ultrafríos que se pueden crear y manipular en cámaras de vacío de laboratorio en la Tierra, dice el astrofísico teórico James Lattimer de la Universidad de Stony Brook en Nueva York, autor de un resumen de la ciencia de la materia nuclear presentado en la Revisión anual de la ciencia nuclear y de partículas de 2012.
De particular interés para Lattimer es un estado teórico llamado gas unitario. Un gas es unitario cuando la esfera de influencia de cada una de sus partículas se vuelve infinita, lo que significa que se influirían entre sí sin importar la distancia entre ellas. Esto es imposible de tener en la realidad, pero las nubes de átomos ultrafríos pueden acercarse, al igual que la materia dentro de las estrellas de neutrones. "Es similar a un gas unitario", dice Lattimer, "pero no es un gas unitario perfecto".
Reorientando la investigación
Durante mucho tiempo, la relación exacta entre la presión de un gas y su densidad era simplemente demasiado compleja para calcularla con precisión. Pero cuando los físicos experimentales desarrollaron la capacidad de controlar nubes de átomos fríos y ajustarlos para que se acercaran mucho, mucho a un gas unitario, se abrió una nueva vía para determinar las propiedades de dicho gas: simplemente medirlo directamente, en lugar de esforzarse por resolver el problema. matemáticas difíciles de manejar en una computadora.
Estas nubes de átomos ultrafríos están más cerca de ser un gas unitario que la materia de una estrella de neutrones, por lo que la analogía no es perfecta. Pero está lo suficientemente cerca como para que Lattimer haya podido tomar medidas de 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 lo que la física podría estar en juego en algunos fenómenos de estrellas de neutrones inexplicables.
En particular, los científicos esperan encontrar pistas sobre uno de los mayores misterios, llamado fallas en los púlsares. En general, el tictac cronometrado regularmente de un "reloj" púlsar es tan confiable que su precisión rivaliza con la de los relojes atómicos. Pero no siempre: a veces, la velocidad de rotación del púlsar aumenta abruptamente, lo que provoca un problema técnico. No está claro de dónde viene ese empuje extra. La respuesta radica en cómo se mueve esa materia dentro de una estrella de neutrones.
Tanto los gases fríos como la materia de neutrones en algunas partes de una estrella de neutrones son superfluidos: las partículas fluyen sin fricción. Cuando un superfluido gira, se desarrollan pequeños remolinos o vórtices. Cómo exactamente estos vórtices se mueven e interactúan entre sí y con otras estructuras dentro de una estrella de neutrones en rotación sigue siendo una pregunta abierta. “Probablemente no sea esta agradable y regular red de vórtices”, dice Michael McNeil Forbes, quien estudia física teórica en la Universidad Estatal de Washington en Pullman. “Podría ser una maraña de vórtices que hay en toda la estrella. No lo sabemos.
Los vórtices superfluidos se encuentran tanto en estrellas de neutrones como en nubes de átomos fríos. Los físicos los estudian en átomos fríos usando luz láser y trampas magnéticas para manipular las nubes. Aquí, los científicos estudiaron la formación y el decaimiento de vórtices (puntos oscuros) en las nubes durante períodos de tiempo cada vez mayores (desde 25 milisegundos, arriba a la izquierda, hasta 40 segundos, abajo a la derecha). Estudios adicionales analizan lo que sucede cuando tales vórtices se mueven o interactúan. Fuente: JR ABO-SHAEER ET AL / SCIENCE 2001
Forbes y otros 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. Generalmente, un solo vórtice serpentea libremente alrededor de un fluido. Pero cuando el fluido contiene un área rígidamente empaquetada de materia que obstruye el movimiento del vórtice, el vórtice se detendrá y, a veces, incluso envolverá sus brazos giratorios alrededor del objeto rígido y se colocará de manera que su centro quede justo encima de él.
Los vórtices tienden a permanecer anclados de esta manera, pero a veces pueden soltarse y alejarse del objeto. Cuando esto sucede, el flujo de fluido ejerce un par de torsión sobre el objeto. Si cientos de miles de vórtices se desprenden de varias estructuras en una estrella de neutrones a la vez, pueden acelerar repentinamente la rotación de la estrella. Forbes explica cómo tantos vórtices pueden desatarse a la vez: "Es como dejar caer arena sobre un montón de arena: nada sucede realmente hasta que... se produce una avalancha completa".
Pero es casi imposible para las computadoras clásicas calcular exactamente todas las complejidades 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 sucede. La idea es usar "experimentos con átomos fríos como computadoras cuánticas analógicas para calcular cosas que no podemos hacer de otra manera", dice.
Los investigadores están ocupados examinando cómo otros fenómenos ultrafríos que ven regularmente en el laboratorio pueden inspirar nuevas líneas de investigación sobre el comportamiento de las estrellas de neutrones. Recientemente, los científicos describieron tantas posibilidades que necesitaron 125 páginas para publicarlas todas. En 2019, docenas de astrónomos, físicos nucleares y físicos atómicos ultrafríos de todo el mundo se reunieron para discutir más sobre las sorprendentes conexiones entre sus campos. Los investigadores apenas están comenzando a probar algunas de las ideas generadas por estas lluvias de ideas.
También están aprendiendo más de las propias estrellas. Es un campo emocionante, porque en este momento están llegando muchas observaciones. Con mejores telescopios y nuevos métodos para obtener propiedades sobre el interior inescrutable de una estrella de neutrones, los científicos pueden esperar descubrir hasta dónde puede llevarse esta analogía entre los átomos fríos y las estrellas de neutrones.
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