En el universo conocido, no hay nada similar a una estrella de neutrones. Esos astros son el resultado de una supernova y acumulan una masa equiparable a la de una estrella en un espacio del tamaño de una ciudad. Esa característica singular ha llevado a los científicos a pensar que en su interior podría tener lugar algún tipo de física extrema, quizá incluso la disolución de los propios neutrones en una sustancia más «blanda» conocida como materia de quarks.

Sin embargo, no podemos asomarnos al interior de las estrellas de neutrones, así que debemos basarnos en las propiedades que podemos medir: su masa y su tamaño. La materia de quarks debería comprimirse más bajo la acción de la gravedad de la estrella que los neutrones intactos, de modo que si las estrellas de neutrones están repletas de esa materia exótica, no solo deberían ser más pequeñas, sino contraerse a medida que aumenta su masa.

Por desgracia, medir la anchura de un objeto de varios kilómetros de diámetro que se encuentra a miles de años luz es muy difícil. Las mediciones conjuntas de la masa y el tamaño de estos astros son, usando una analogía muy popular, el «santo grial de la física de las estrellas de neutrones», afirma Micaela Oertel, física teórica del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia.

Pero en 2019, el Explorador de la Composición Interior de las Estrellas de Neutrones (NICER) de la NASA, un telescopio de rayos X que se había instalado en la Estación Espacial Internacional dos años antes, determinó que una estrella de neutrones de 1,4 masas solares llamada J0030 y ubicada a 1000 años luz de la Tierra medía unos 26 kilómetros de diámetro. Ahora, usando los datos de NICER, dos equipos independientes han realizado el mismo análisis con J0740, otra estrella de neutrones situada a 3000 años luz de nuestro planeta.

Los resultados son sorprendentes. Con 2,1 masas solares, J0740 es una de las estrellas de neutrones más masivas conocidas y pesa en torno a un 50 por ciento más que J0030. Y, sin embargo, ambas tienen básicamente el mismo tamaño: los dos equipos obtuvieron 24,8 y 27,4 kilómetros de diámetro para la primera, con incertidumbres de varios kilómetros. Los resultados de ambos equipos, que aún no se han sometido al proceso de revisión por pares, se publicaron en el repositorio arXiv a principios de mayo.

El hallazgo implica que las estrellas de neutrones pueden ser extrañas, pero no tanto como para destruir los propios neutrones. «Quizá sugiera que esos estados tan exóticos de la materia no pueden darse en el núcleo de una estrella de neutrones», apunta Jorge Piekarewicz, físico teórico de la Universidad Estatal de Florida.

Transiciones de fase

Las estrellas de neutrones se forman cuando una estrella gigante con entre 8 y 20 veces la masa de nuestro sol agota su combustible al final de su vida. Al no haber ninguna presión hacia fuera que compense la gravedad de la estrella, esta colapsa. Las capas externas explotan en forma de supernova, dejando solo el denso núcleo (la estrella de neutrones) embutido en un volumen del tamaño de Manhattan.

Bajo una delgada corteza de iones y electrones se halla el núcleo de la estrella de neutrones, que representa hasta el 99 por ciento de su composición total. En el núcleo, los protones y los electrones se comprimen tanto que forman un mar compuesto casi en exclusiva por neutrones. Sin embargo, si la densidad sigue aumentando hacia el núcleo interno, puede suceder algo aún más extraño. «En vez de neutrones y protones, tenemos un mar formado por sus constituyentes, los quarks», explica Cole Miller, astrofísico de la Universidad de Maryland y autor principal de uno de los nuevos trabajos. «No está claro cuándo sucede eso.»

Hasta ahora, algunos modelos predecían que las estrellas de neutrones suficientemente masivas (quizás incluso J0740, con sus 2,1 masas solares) generarían densidades tan inmensas que dividirían los neutrones y protones en sus quarks constituyentes. A medida que sus interiores experimentaran una transición desde la materia normal a una materia de quarks relativamente compresible, «el radio debería reducirse», afirma Anna Watts, astrofísica de la Universidad de Ámsterdam y codirectora del otro estudio.

Sin embargo, algunos modelos predecían lo contrario. La transición de fase —­si es que se produce— podría no ocurrir hasta cerca del punto en que las estrellas de neutrones se convierten en agujeros negros. (Aunque no se conoce con exactitud dónde se sitúa esa frontera, se cree que está en torno a las 3 masas solares.) «La cuestión», subraya Watts, «es la siguiente: si hay algo extraño que se forma a densidades elevadas, ¿cuándo aparece?».

Si las estrellas de neutrones como J0740 experimentaran esa transición de fase y contuvieran materia de quarks más compresible, el objeto debería haber medido entre 9 y 16 kilómetros de ancho, comenta Watts. Sin embargo, aun considerando las incertidumbres, los investigadores han establecido un «límite inferior bastante estricto» de 22 kilómetros para su diámetro, observa Miller.

Los resultados sugieren que las estrellas de neutrones forman materia de quarks más allá de las 2,1 masas solares. O quizá nunca lo hagan: es posible que los protones y neutrones persistan incluso a las escalas más extremas. «Todo apunta a que los modelos más compresibles quedan descartados», sentencia Watts.

Piruetas estelares

NICER puede medir el radio de las estrellas de neutrones gracias a una peculiaridad de los propios astros. A medida que rotan rápidamente, los puntos más activos de su superficie (polos magnéticos como los de la Tierra, pero mucho más intensos) giran con ellas, emitiendo rayos X. Recibimos incluso los destellos que se producen en el lado oculto de la estrella, dado que su enorme gravedad los desvía y dirige hacia nosotros. NICER mide con precisión los tiempos de llegada de esos destellos de rayos X, lo que permite a los científicos inferir el tamaño de la estrella de neutrones.

A resultado reciente del Experimento del Radio del Plomo (PREx), realizado en el Laboratorio Jefferson de Virginia, parece apoyar los importantes descubrimientos de NICER. Haciendo incidir un haz de electrones sobre el plomo, los científicos determinaron con precisión el grosor de la llamada «piel» de neutrones (la diferencia entre el radio de la distribución de neutrones y el de la distribución de protones). Y ese espesor implica que las estrellas de neutrones deberían ser hasta 2 kilómetros más grandes de lo que indicaban las predicciones anteriores. «Eso es totalmente coherente con [las observaciones de] NICER», asegura Piekarewicz, que forma parte del equipo de PREx. Los hallazgos se publicaron en Cartas de revisión física.

Los resultados de NICER aún se encuentran en una fase inicial, y habrá que verificarlos y refinar las incertidumbres. Se está midiendo el radio de una tercera estrella de neutrones, que podría desempeñar un papel importante a la hora de confirmar o refutar los hallazgos. «Esperamos poder anunciar ese radio a finales de año», revela Zaven Arzoumanian, director científico de NICER en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA. «Y luego, tal vez, algunos más.»

Pero, hasta ahora, los resultados apuntan a algo intrigante. Incluso las estrellas de neutrones, los objetos más densos del universo, podrían no ser lo bastante densas como para producir algunas formas de materia exótica. «Esta es la primera prueba sólida en contra de una transición de fase drástica en el núcleo de las estrellas de neutrones», concluye Piekarewicz. Y si no ocurre en las estrellas de neutrones, ¿podría ocurrir en algún otro sitio? «Me temo que no.»

Jonathan O’Callaghan / Revista Quanta

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencias: «El radio de PSR J0740 + 6620 de los datos de NICER y XMM-Newton», MC Miller et al. en arXiv: 2105.06979 [astro-ph.HE], 14 de mayo de 2021; «Una vista NICER del púlsar masivo PSR J0740 + 6620 informada por tiempo de radio y espectroscopía XMM-Newton», Thomas E. Riley y col. en arXiv: 2105.06980 [astro-ph.HE], 14 de mayo de 2021.



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