Estrella de neutrones inusual

Mientras investigaba las kilonovas y cómo producen grandes cantidades de algunos de los elementos más pesados ​​del universo, incluidos cientos de masas terrestres de oro y platino, me encontré con un tema sobre el que nunca había leído antes: las estrellas de neutrones oscuras.

Lo interesante es que sólo encontré poca información sobre este tipo de estrella de neutrones, básicamente en la Wikipedia en portugués y en un artículo del Journal of Astronomy and Astrophysics, pero aún así me pareció interesante y decidí escribir también sobre ello en mi blog, ya que mi tema son las estrellas compactas, las estrellas de neutrones negras encajan en mi investigación.

Pondré en este artículo lo que encontré, además de la información de Wikipedia y del Journal of Astronomy and Astrophysics que pude encontrar, traduciendo y como siempre intentando resaltar palabras claves y colocando hipervínculos a palabras que suenan diferente para el público lego.

Estrella de neutrones negra

Una estrella de neutrones negra es una estrella que tiene una masa mayor a 2,5 masas solares y menor a 5 masas solares. Es más masivo que las estrellas de neutrones, pero tiene menos masa que los agujeros negros. El nombre fue propuesto por Trivedi Rajesh en 2015. En su artículo, afirmó que hay estrellas de neutrones más pequeñas que el horizonte de eventos.

Un agujero negro devorando una estrella de neutrones: primero estirando la estrella de neutrones hasta formar una media luna, tragándola y luego devorando migajas de la estrella rota en los minutos y horas siguientes.

Una estrella suficientemente masiva colapsará para formar una singularidad de agujero negro debido a la presión gravitacional además de la degeneración de neutrones. Un agujero negro exhibe una atracción gravitatoria extremadamente fuerte, de la cual ninguna partícula o radiación electromagnética puede escapar. El límite de la región de la que nada puede escapar (ni siquiera la luz) se llama horizonte de eventos. 

Trivedi Rajesh propone que existe una estrella de neutrones más pequeña que el horizonte de eventos, en el que llama "estrella de neutrones oscura". Además, Rajesh propone un método alternativo para determinar el límite de masa máximo permitido de la estrella de neutrones y el límite de masa mínimo del agujero negro colapsado gravitacionalmente de forma natural. 

Sin embargo, en 2020, los científicos descubrieron un objeto astronómico que nunca antes se había observado.

Si una estrella es lo suficientemente gigantesca, puede colapsar sobre sí misma y formar un agujero negro. Las estrellas que aún son enormes, pero no lo suficientemente grandes como para convertirse en agujeros negros, tienden a explotar en supernovas, transformándose finalmente en lo que se conoce como estrella de neutrones.

Antes no se creía que fuera posible la existencia de estas "estrellas de neutrones negras", lo que implicará que será necesario repensar las ideas sobre cómo se forman las estrellas de neutrones y los agujeros negros.

El evento de 2019 involucró un objeto más masivo que las estrellas de neutrones conocidas, pero menos masivo que los guerreros oscuros conocidos. Existe lo que se conoce como la "brecha de masa".

El descubrimiento fue realizado por un equipo internacional utilizando detectores de ondas gravitacionales en Estados Unidos e Italia.

Charlie Hoy, estudiante de doctorado de la Universidad de Cardiff (Reino Unido), involucrado en el estudio, dijo que el nuevo descubrimiento transformaría nuestra comprensión.

El Sr. Hoy forma parte de un equipo internacional que trabaja para la Colaboración Científica del observatorio de detección de ondas gravitatorias Ligo y el Interferómetro Virgo.

El grupo internacional, con una fuerte participación del Reino Unido y el respaldo del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas, cuenta con detectores láser de varios kilómetros de longitud capaces de detectar diminutas ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la colisión de objetos masivos en el Universo. Los datos recopilados pueden utilizarse para determinar la masa de dichos objetos.

En agosto de 2019, los instrumentos del Ligo-Virgo detectaron la colisión de un agujero negro de 23 veces la masa de nuestro Sol con un objeto de 2,6 masas solares a 780 millones de años luz de distancia.

Esto significa que el objeto más ligero es más masivo que el tipo de estrella muerta más pesada, o estrella de neutrones, observada previamente (de poco más de dos masas solares). Pero también era más ligero que el agujero negro más ligero observado previamente (de alrededor de cinco masas solares).

Los astrónomos han estado buscando este tipo de objetos en lo que se ha denominado la "brecha de masa".

En un artículo publicado en la revista The Astrophysical Journal Letters, el equipo de investigación cree que, de todas las posibilidades, lo más probable es que el objeto sea un agujero negro ligero, pero no descartan ninguna otra posibilidad.

Tras colisionar con el gran agujero negro, el objeto ya no existe. Sin embargo, según el profesor Stephen Fairhurst, también de Cardiff, debería haber más oportunidades para aprender más sobre estos objetos con brecha de masa a partir de futuras colisiones.

Si se trata de un agujero negro ligero, no existe una teoría establecida sobre cómo podría desarrollarse un objeto así. Sin embargo, el colega del profesor Fairhurst, el profesor Fabio Antonioni, ha propuesto que un sistema solar con tres estrellas podría dar lugar a la formación de agujeros negros ligeros. Sus ideas están recibiendo cada vez más atención tras el nuevo descubrimiento.

Sin embargo, si esta nueva clase de objeto es una estrella de neutrones pesada, las teorías sobre su formación también podrían necesitar una revisión, según el profesor Bernard Schutz, del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam, Alemania.

"No sabemos mucho sobre la física nuclear de las estrellas de neutrones. Por lo tanto, quienes analizan ecuaciones inusuales que explican lo que ocurre en su interior podrían pensar que, quizás, esto sea evidencia de que podemos obtener estrellas de neutrones mucho más pesadas".

Según el profesor Nils Andersson, de la Universidad de Southampton, si el objeto misterioso es una estrella de neutrones pesada, los teóricos tendrán que replantearse qué ocurre en estos objetos. "La física nuclear no es una ciencia precisa donde lo sepamos todo", afirmó el profesor Nils.

"Desconocemos cómo operan las fuerzas nucleares en las condiciones extremas que se requieren dentro de una estrella de neutrones. Por lo tanto, todas las teorías actuales sobre lo que ocurre en su interior presentan cierta incertidumbre".

La profesora Sheila Rowan, directora del Instituto de Investigación Gravitacional (IGR) de la Universidad de Glasgow, afirmó que el descubrimiento desafía los modelos teóricos actuales.

"Serán necesarias más observaciones e investigaciones cósmicas para determinar si este nuevo objeto es realmente algo nunca antes observado o si, en realidad, podría ser el agujero negro más ligero jamás detectado".

El año pasado, investigadores de la colaboración internacional Trapum (Transients and Pulsars with MeerKAT) descubrieron  un nuevo sistema de dos objetos en órbita ubicados en el cúmulo globular NGC 1851 en la constelación austral de Columba (Paloma). Ambos objetos probablemente tienen una cosa en común: ambos deben haber surgido, aunque indirectamente, de los restos de estrellas masivas, es decir, estrellas de neutrones o agujeros negros.

Las estrellas masivas a menudo se forman en sistemas estelares múltiples. Y son precisamente estas estrellas las que mueren al final de sus vidas en una espectacular explosión de supernova. 

Los restos: agujeros negros o estrellas de neutrones orbitando entre sí si el sistema sobrevivió a la explosión. Hasta ahora, sólo se han detectado tándems de agujeros negros y estrellas de neutrones por las ondas gravitacionales que emiten durante su danza cercana.

Se conoce al menos la naturaleza de uno de los dos objetos. El equipo utilizó el sensible radiotelescopio MeerKAT, ubicado en Sudáfrica, en combinación con potentes detectores del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Alemania y registró pulsos débiles. Es una estrella de neutrones con un fuerte campo magnético que gira muy rápido y emite ondas de radio a lo largo de conos de luz opuestos que barren el universo como un faro cósmico. 

El púlsar (también descubierto en 2024), llamado PSR J0514-4002E, gira sobre su propio eje más de 170 veces por segundo y llega a la Tierra con su luz de radio en la misma frecuencia. Con cada rotación, el radiotelescopio registra un pulso, similar al tictac de un reloj. El llamado púlsar de radio suena con extrema regularidad.

El equipo utilizó el sensible radiotelescopio MeerKAT, ubicado en el semidesierto de Karoo en Sudáfrica.

Los investigadores utilizaron pequeñas desviaciones o diferencias en la frecuencia de este reloj para sacar conclusiones acerca de un compañero que orbita un centro de gravedad común junto con el púlsar como parte de un sistema binario. 

El efecto Doppler hace que la frecuencia de radio del púlsar cambie como resultado de su movimiento orbital, como la frecuencia de la sirena de un camión de bomberos que pasa frente a un observador. Esto también permitió determinar la órbita del púlsar alrededor del misterioso objeto. "Piense en ello como poder lanzar un cronómetro casi perfecto a la órbita de una estrella a casi 40.000 años luz de distancia y luego poder cronometrar esas órbitas con una precisión de microsegundos", dice Ewan Barr, quien dirigió el estudio junto con la estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Radioastronomía, Arunima Dutta (Arunima me recuerda mucho a Jocelyn Bell Burnell, la descubridora de los púlsares, no cual en el momento del descubrimiento también era estudiante y joven. La  diferencia principal entre las dos chicas es que Jocelyn era estudiante de posgrado y Arunima Dutta es estudiante de doctorado).

Pero la situación es menos clara cuando se trata del objeto compañero que orbita el púlsar. "Cuando observamos las imágenes del Hubble de NGC 1851, no vimos nada en esa posición", explica Prajwal Voraganti Padmanabh del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) en Hannover. 

"Por lo tanto, el objeto que orbita el púlsar no es una estrella normal, sino un remanente extremadamente denso de una estrella colapsada". Si también fuera una estrella, emitiría, como el Sol, un viento estelar, a través del cual tendría que pasar el cono de luz de radio del púlsar antes de que el radiotelescopio recibiera una señal. En este caso, el viento estelar influiría característicamente en las frecuencias de la señal de radio. Sin embargo, no hay señales de tal efecto en los datos de radio. 

Todo indica que el misterioso objeto es un remanente extremadamente denso de una estrella colapsada: un agujero negro u otra estrella de neutrones que no emite luz de radio.

Impresión artística del sistema descubierto, asumiendo que el compañero masivo del púlsar de radio (estrella azul brillante en el fondo) es un agujero negro (primer plano). Los dos objetos están separados por 8 millones de kilómetros y orbitan uno alrededor del otro cada 7 días.

Pero la búsqueda de pistas continúa: los astrónomos no sólo han deducido la órbita a partir de las mediciones de las diferencias en la frecuencia del reloj del púlsar, sino que también han reducido la masa del segundo objeto a entre 2,09 y 2,71 masas solares. 

Esto significa que la compañera podría ser más pesada que las estrellas de neutrones más pesadas conocidas (aproximadamente dos masas solares) y, al mismo tiempo, más liviana que los agujeros negros más livianos conocidos (aproximadamente cinco masas solares). El objeto acompañante compacto que los investigadores detectaron con ayuda del púlsar de radio cae precisamente en el llamado hueco de masa de los agujeros negros. 

Todavía no se comprende del todo por qué no se han encontrado otros objetos compactos de entre dos y cinco masas solares. "Sea lo que sea este objeto, es una noticia emocionante", afirma Paulo Freire, del Instituto Max Planck de Radioastronomía. Si es un agujero negro, será el primer sistema púlsar-agujero negro conocido, lo cual ha sido un santo grial de la astronomía de púlsares durante décadas. Si es una estrella de neutrones, esto tendrá implicaciones fundamentales para nuestra comprensión del estado desconocido de la materia a estas increíbles densidades.

Las estrellas de neutrones, los restos ultradensos de una explosión de supernova, tienen una masa limitada. Una vez que adquieren demasiada masa, quizá al consumir otra estrella o al colisionar con otra de su tipo, colapsan. En qué se transforman exactamente una vez colapsado es motivo de mucha especulación, proponiendo diversas y fascinantes variantes de estrellas exóticas. 

Sin embargo, la opinión predominante es que las estrellas de neutrones colapsan para convertirse en agujeros negros, objetos tan gravitacionalmente atractivos que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. 

La teoría, respaldada por la observación, nos dice que los agujeros negros más ligeros que pueden crearse al colapsar estrellas son aproximadamente 5 veces más masivos que el Sol. Esto es considerablemente mayor que las 2,2 veces la masa solar requeridas para el colapso de una estrella de neutrones, lo que da lugar a lo que se conoce como la brecha de masa del agujero negro. 

Se desconoce la naturaleza de los objetos compactos en esta brecha de masa y, hasta ahora, su estudio detallado ha resultado difícil debido a que solo se han captado fugaces atisbos de tales objetos en las observaciones de eventos de fusión de ondas gravitacionales en el universo distante. 

Aunque el equipo no puede afirmar con certeza si ha descubierto la estrella de neutrones más masiva conocida, el agujero negro más ligero conocido o incluso alguna nueva variante exótica de estrella, lo que sí es cierto es que han descubierto un laboratorio único para investigar las propiedades de la materia en las condiciones más extremas del Universo.

"Aún no hemos terminado con este sistema", afirma Arunima Dutta. "Descubrir la verdadera naturaleza de la compañera marcará un antes y un después en nuestra comprensión de las estrellas de neutrones, los agujeros negros y cualquier otra cosa que pueda acechar en la brecha de masa de los agujeros negros".

Por último, dejo este vídeo, lo cual es una forma encontrada de explicar este objeto celeste tan intrigante. El vídeo hace zoom sobre el cúmulo globular NGC 1851, seguido de una simulación orbital que muestra el sistema binario compuesto por el púlsar original y una enana blanca, siendo interrumpido por la llegada del tercer cuerpo masivo de naturaleza desconocida. La nueva llegada expulsa a la enana blanca de su órbita y captura el púlsar para sí misma, formando un nuevo sistema binario con un púlsar orbitando, muy probablemente, un agujero negro ligero o una estrella de neutrones supermasiva, o quizás una estrella de neutrones negra, como sugiere Trivedi Rajesh.

Fuentes: 

1. https://pt.m.wikipedia.org/wiki/Estrela_de_n%C3%AAutrons_negra
2. https://futurism.com/astronomers-may-have-discovered-first-ever-black-neutron-star
3. https://www.bbc.com/news/science-environment-53151106
4. https://greenbankobservatory.org/news/astronomers-discover-most-massive-neutron-star-or-least-massive-black-hole/
5. https://www.mpg.de/21385526/0115-radi-lightest-black-hole-or-heaviest-neutron-star-150300-x
6. https://www.ccvalg.pt/astronomia/noticias/2024/01/23_psr_j0514_4002e.htm
7. https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=54492
8. https://www.scirp.org/pdf/IJAA_2015031014142089.pdf