Investigadores de la Universidad de Alicante(UA) han participado en el descubrimiento de tres estrellas de neutrones demasiado fr?as para su edad. Los observatorios de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA han detectado esta anomal?a al comparar sus propiedades con diferentes modelos de estrellas de neutrones. Con ello, un equipo de astr?nomos del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y la instituci?n académica alicantina, ha concluido en un estudio publicado en Nature Astronomy que las bajas temperaturas de estas descalifican alrededor del 75% de los modelos conocidos. Este es un gran paso hacia el descubrimiento de la llamada ecuaci?n de estado que describa a todas las estrellas de neutrones, con importantes implicaciones para las leyes fundamentales del universo, seg?n han informado desde la Universidad.

El trabajo ha contado con la participaci?n del investigador del Departamento de F?sica Aplicada de la Universidad de Alicante, José A. Pons, como col?der del estudio, y con la investigadora postdoctoral de esta misma instituci?n Clara Dehman.

?Qué son las estrellas de neutrones?

Después de los agujeros negros estelares, las estrellas de neutrones son los objetos m?s densos del universo. Cada estrella de neutrones es el n?cleo comprimido de una estrella gigante que qued? después de que la estrella explotara en una supernova. Tras quedarse sin combustible, el n?cleo de la estrella implosiona bajo la fuerza de la gravedad mientras sus capas exteriores son lanzadas al espacio, seg?n el comunicado de la UA.

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La materia en el centro de una estrella de neutrones est? tan comprimida que la comunidad cient?fica a?n no sabe qué forma adopta. Las estrellas de neutrones reciben su nombre por el hecho de que, bajo esta inmensa presi?n, incluso los ?tomos colapsan: los electrones se fusionan con los n?cleos at?micos, convirtiendo los protones en neutrones. No obstante, tal y como explican desde la instituci?n académica, podr?a ser todav?a m?s extra?o, ya que el calor y la presi?n extremos pueden estabilizar part?culas m?s ex?ticas que no sobreviven en ning?n otro lugar, o posiblemente fundir part?culas en una especie de sopa de sus quarks constituyentes girando en espiral.

Lo que ocurre en el interior de una estrella de neutrones se describe por la ecuaci?n de estado, un modelo te?rico que describe procesos f?sicos que pueden ocurrir dentro de una estrella de neutrones. El problema es que todav?a se desconoce cu?l de los cientos de modelos de ecuaciones de estado posibles es correcto. Mientras que el comportamiento de las estrellas de neutrones a nivel individual puede depender de propiedades como su masa o la velocidad de giro, todas las estrellas de neutrones deben regirse por la misma ecuaci?n de estado, explican desde la UA.

Demasiado fr?as

Al analizar los datos de las misiones XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA, el equipo ha descubierto tres estrellas de neutrones excepcionalmente j?venes y fr?as que son entre 10 y 100 veces m?s fr?as que otras de su misma edad. Comparando sus propiedades con las velocidades de enfriamiento predichas por diferentes modelos, el equipo concluye que la existencia de estas tres estrellas de neutrones descarta la mayor?a de las ecuaciones de estado propuestas.

“La corta edad y la fr?a temperatura de la superficie de estas tres estrellas de neutrones s?lo pueden explicarse apelando a un mecanismo de enfriamiento r?pido. Dado que un enfriamiento aumentado solo puede activarse mediante determinadas ecuaciones de estado, esto nos permite excluir una parte significativa de los posibles modelos”, explica la astrof?sica Nanda Rea, investigadora en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y el Instituto de Estudios Espaciales de Catalu?a (IEEC) y directora de la investigaci?n.

Descubrir la verdadera ecuaci?n de estado de la estrella de neutrones también tiene implicaciones importantes para las leyes fundamentales del universo. Es sabido que los investigadores en f?sica todav?a no han podido unir la teor?a de la relatividad general (que describe los efectos de la gravedad a grandes escalas) con la mec?nica cu?ntica (que describe lo que sucede a nivel de las part?culas). Las estrellas de neutrones son el mejor campo de pruebas para esto, ya que tienen densidades y gravitaci?n mucho mayores que cualquier cosa que pueda ser creada en la Tierra.

Las tres particulares estrellas de neutrones son tan fr?as que son demasiado débiles para que las vean la mayor?a de los observatorios de rayos X. “La magn?fica sensibilidad de XMM-Newton y Chandra hizo posible no s?lo detectar estas estrellas de neutrones, sino también recolectar suficiente luz como para determinar sus temperaturas y otras propiedades”, afirma Camille Diez, investigadora de la ESA.

Sin embargo, las medidas fueron s?lo el primer paso para poder sacar conclusiones sobre lo que estos “bichos raros” significan para la ecuaci?n de estado de las estrellas de neutrones. Para ello, el equipo de investigaci?n de Nanda Rea en el ICE-CSIC combin? la experiencia de los investigadores Alessio Marino, Clara Dehman y Konstantinos Kovlakas, as? como Daniele Vigan?, coautor del c?digo de simulaciones de campos magnéticos.

Respuestas a un enigma

En concreto, Clara Dehman, la investigadora postdoctoral de la UA, lider? el c?lculo de las “curvas de enfriamiento” de las estrellas de neutrones para las ecuaciones de estado que incorporan diferentes mecanismos de enfriamiento. Esto implica representar lo que predice cada modelo sobre c?mo cambia con el tiempo la luminosidad de una estrella de neutrones, una caracter?stica directamente relacionada con su temperatura. La forma de estas curvas depende de varias propiedades diferentes de una estrella de neutrones, y no todas pueden determinarse con precisi?n a partir de observaciones. Por esta raz?n, el equipo calcul? las curvas de enfriamiento para un rango de posibles masas de estrellas de neutrones e intensidades de campos magnéticos.

“Dado que las estrellas de neutrones m?s masivas tienen m?s part?culas, podr?an desencadenarse procesos especiales que hacen que las estrellas de neutrones se enfr?en m?s r?pidamente”, se?ala la coautora Dehman. “Es como tener algunas de las respuestas de un crucigrama ya disponibles: hace que completar el resto de las respuestas sea mucho m?s f?cil”, a?ade.



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