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Astronomía

Los pesos pesados del Universo

Un mecanismo alternativo puede explicar la formación de estrellas de neutrones con tamaños mayores que lo normal

nasa/jplLa Nebulosa del Cangrejo es empapada por partículas emitidas…nasa/jpl

Imaginemos tomar al Sol por completo y compactarlo hasta que quede del tamaño de una ciudad. ¿Algo radical? Podría serlo, pero la naturaleza continuamente produce ese mismísimo experimento cuando crea las denominadas estrellas de neutrones, uno de los cuerpos menores y más densos del Universo. Los astrónomos saben más o menos cómo sucede eso, aunque son pocos los que admiten que le falta bastante a la ciencia como para explicar lo que se avista allá afuera. Uno de los misterios que deben esclarecerse consiste en saber cómo surgen estrellas de neutrones con masa más elevada que la prevista por la teoría de formación y evolución estelar. Un grupo de investigadores de Brasil intenta aclarar el tema trayendo a la luz una hipótesis controvertida. En líneas generales, ellos sugieren que existiría más de una manera de crear estrellas de neutrones.

El surgimiento de estas estrellas tiene relación con la muerte de otras con masa bastante elevada, al menos ocho veces superior a la del Sol. Para comprender lo que sucede, primero es preciso decir algunas palabras acerca de lo que los astrónomos saben sobre cómo viven y mueren las estrellas. Conformadas por gas (en su mayoría hidrógeno) y polvo concentrados, las estrellas comienzan a brillar cuando la concentración de materia es tal que los átomos de la región central de dichos cuerpos celestes comienzan a unirse, en un proceso conocido como fusión nuclear (lea el texto). A la transformación de dos núcleos de hidrógeno, cada uno con un protón, en un núcleo de helio, con dos protones, la acompaña una sutil reducción de su masa total. Parte de esa masa se convierte en energía y escapa de la estrella, y de ahí proviene todo el poder de esos astros para bañar de radiación a un sistema planetario completo. Esa energía generada en el interior de la estrella compensa la fuerza gravitacional, que actúa en sentido opuesto. Sustentada por ese equilibrio, la estrella permanece con el mismo tamaño aproximado durante el transcurso de la mayor parte de su vida.

Empero, al cabo de millones de años, el combustible disponible para la fusión nuclear se va agotando. Ante la falta de hidrógeno, se consumen elementos más pesados, tales como helio, carbono, oxígeno, hasta alcanzar un límite: el hierro. Ésa es la frontera final por una simple razón: la fusión de núcleos de hierro consume más energía de la que es liberada al final del proceso. En esa etapa, la producción de energía en la región central se interrumpe y la gravedad comienza a trabajar sin impedimentos, sin ninguna fuerza que compense su accionar.

...por una estrella de neutrones (a la derecha) que cobija su región central

nasa/jpl…por una estrella de neutrones que cobija su región centralnasa/jpl

Bomba cósmica
La estrella colapsa y dispara una complicada serie de eventos. El resultado final es la explosión de sus capas exteriores, durante la cual el 90% de su masa es lanzada al espacio. Lo que queda luego de ese violento episodio, conocido con el nombre de supernova, es un núcleo estelar muy compacto. Si la masa del núcleo fuera relativamente pequeña, esa compresión origina lo que convencionalmente se denomina estrella de neutrones, y en caso que la masa sea más elevada y la compresión continúe, se forma un agujero negro, un objeto tan denso que nada escapa a su atracción, ni siquiera la luz.

Según la teoría actualmente aceptada, las estrellas de neutrones, así denominadas por presentar elevadas proporciones de partículas sin carga eléctrica (neutrones) en su interior, deberían tener todas las mismas dimensiones: una masa aproximadamente un 40% mayor que la del sol, comprimida en una esfera de menos de 20 kilómetros de diámetro.

“Pero nadie sabe exactamente cuál es la masa que una estrella necesita tener en vida, para morir y generar una estrella de neutrones o un agujero negro”, sostiene el astrónomo Jorge Horvath, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la Universidad de São Paulo, y coordinador de un grupo que investiga las características de las estrellas de neutrones.

“Hasta hace poco tiempo se creía que todas las estrellas de neutrones respondían a ese modelo”, afirma João Steiner, otro astrónomo del IAG. “Pero el año pasado se descubrió un caso que resulta claramente mayor”.

¿El nombre del objeto? PSR J1614-223, una estrella de neutrones distante a 3 mil años luz de la Tierra, descubierta por un grupo del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO), de Estados Unidos. Esta estrella, que fue presentada mediante un artículo en la revista Nature, parece poseer dos masas solares: un mamut, tratándose de objetos de esa clase.

Este hallazgo obligó a la comunidad astronómica a aceptar el hecho de que existen variaciones significativas en el tamaño de las estrellas de neutrones. Y esto coincide bastante con las previsiones realizadas recientemente por el grupo de Horvath, publicadas en la edición de junio de la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. En el marco de ese trabajo, Horvath, Eraldo Rangel y Rodolfo Valentim llevaron a cabo un análisis estadístico de la masa de 55 estrellas de neutrones ya estudiadas y revelaron que existen dos patrones más comunes: uno formado por las estrellas con masa menor (alrededor de 1,37 veces la del Sol) y con poca variación, tal como se esperaba; y otro, con mayor masa, de alrededor de 1,73 veces la masa solar, y más variable.

Pero, ¿por qué existen esos dos grupos distintos? “Los resultados indican la existencia de más de un mecanismo destinado a la formación de las estrellas de neutrones”, afirma Horvath.

Esta idea parece compatible con las distribuciones de estrellas de neutrones en sitios tales como los cúmulos globulares, conformados principalmente por estrellas muy viejas y con masa menor que, según la teoría, la que sería necesaria para originar estrellas de neutrones. Observaciones recientes realizadas por astrónomos de diversos países revelan que en esas regiones existen muchas más estrellas de neutrones que lo que se esperaría si ellas fuesen producto exclusivamente de la explosión de estrellas con gran masa.

Las estrellas que tienen originariamente una masa ocho veces inferior que la del Sol, al colapsar, no originan estrellas de neutrones, sino otra clase de objetos: las enanas blancas, con la masa del Sol comprimida en un volumen similar al de la Tierra, y es así como el Sol terminará sus días. En algunos sistemas binarios, la enana blanca, por acción de la gravedad, roba la masa de su estrella compañera hasta alcanzar un límite que la induce a un nuevo colapso. Este evento es otra explosión y produce un tipo específico de supernova, denominada Ia, en la cual la masa de toda la estrella es lanzada violentamente al espacio.

Pero algunos astrónomos sugieren que eso puede suceder de manera distinta. En lugar de convertirse en una supernova, el rápido incremento de masa produciría que una enana blanca se transformase en una estrella de neutrones. “Es una idea que nos inquieta desde hace 20 años y hay quienes la rechazan”, dice Horvath. “Pero también están los que dicen que funciona. Resulta difícil imaginar una alternativa mejor para explicar de qué modo ciertas estrellas de neutrones fueron a parar adonde se encuentran”.

Existen datos recientes que complican el escenario al indicar que existen estrellas de neutrones de masa inferior a la del Sol, las cuales no se formarían por colapso.

La respuesta definitiva aún no apareció, pero es casi seguro que el futuro de las investigaciones pasará por reformulaciones en las teorías acerca de cómo surgen y cómo se comportan las estrellas de neutrones.

064-067_Estrelas de Neutron_186Por fuera y por dentro
Y si existen dudas acerca de su tamaño y su masa, la cosa no resulta nada sencilla cuando se trata de la composición de las estrellas de neutrones. El nivel de compactación de estos objetos es tan elevado –la densidad de una estrella de neutrones es mayor que la del núcleo de los átomos y 100 billones de veces la del agua– que la materia puede aparecer bajo formas que no se encuentran en ningún otro lugar del Universo.

Con densidades mayores que la del núcleo atómico, partículas tales como los protones y los neutrones se disgregan en sus unidades fundamentales: los quarks, que, por lo general, nunca se encuentran aislados. Resulta difícil conciliar esas previsiones con las observaciones, pero se cree que esas condiciones existen en ciertas estrellas de neutrones, que albergarían en su zona central una sopa de quarks.

En la Universidad Federal del ABC, en la localidad de Santo André, Región Metropolitana de São Paulo, el grupo de Germán Lugones está realizando cálculos y simulaciones que indican de qué modo diferentes composiciones internas de esos astros afectarían a la masa, el radio, la evolución y otras propiedades. Uno de los resultados a los que arribó el equipo indica que ciertos fenómenos que surgen cuando la materia se encuentra bajo la forma de quarks –tal como la transición hacia un estado superconductor– explican naturalmente la existencia de estrellas de masas bastante mayores que la clásica 1,4 veces la masa solar. Por tal motivo, el descubrimiento de la PSR J1614-223 representó una importante señal de que pueden hallarse en el sendero correcto. Lugones cree que una versión más radical de las estrellas de quarks –una estrella extraña o estrella de quarks autounida, en la que todo el astro estaría compuesto por esas partículas– debe considerarse como candidata en casos en los cuales se observen estrellas con masa incluso mayor que la de la PSR J1614-223.

“En concordancia con estudios teóricos realizados durante los últimos años por nuestro grupo, la densidad necesaria para que las partículas de materia se disgreguen en quarks es entre 5 y 10 veces mayor que la densidad del interior de un núcleo atómico”, afirma Lugones, haciendo hincapié en que esas densidades pueden ser perfectamente alcanzadas en el centro de las estrellas de neutrones de mayor masa.

Si eso sucede, nadie lo sabe. Aún hay lagunas, tanto en la comprensión de la física que sustenta esos procesos como al respecto de las propiedades observables en las estrellas de neutrones. Manuel Malheiro, investigador del Instituto Tecnológico de Aeronáutica y colaborador de Horvath y Lugones, se encuentra desde 2010 en la Universidad de Roma, donde investiga la composición y otras características de otra clase especial de estrellas de neutrones: las magnetares o magnetoestrellas, que presentan un elevado campo magnético.

Todavía se necesita avanzar en la teoría y en las observaciones para que, eventualmente, se arribe a un cuadro más cohesionado. Lo único cierto es que existen problemas interesantes en lo que atañe a estos astros, que, accidentalmente, constituyen laboratorios ideales para el estudio de las propiedades más extremas de la materia.

Los proyectos
1.
La materia hadrónica y QCD en astrofísica: supernovas, grbs y estrellas compactas (nº 2007/03633-3); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Jorge Horvath – IAG/USP; Inversión R$ 154.250,00 (FAPESP)
2. Investigación de fenómenos astrofísicos de altas energías y altas densidades (nº 2008/09136-4); Modalidad Programa Joven Investigador; Coordinador German Lugones – UFABC; Inversión R$ 91.207,65 (FAPESP)

Artículo científico
VALENTIM, R. et al. On the mass distribution of neutron stars. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. v. 414 (2), p. 1.427-31. Jun 2011.

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