Tres estrelas de neutróns demasiado frías desafían os astrofísicos

O achado invalida arredor do 75% dos modelos coñecidos sobre un dos obxectos máis densos do universo

Os observatorios de raios X XMM-Newton da Axencia Espacial Europea (ESA) e Chandra da NASA detectaron tres novas estrelas de neutróns inusualmente frías para a súa idade.

Ao comparar as súas propiedades con diferentes modelos de estrelas de neutróns, un equipo de astrónomos liderado polo Instituto de Ciencias do Espazo (ICE-CSIC), en colaboración co Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) e a Universidade de Alacante, conclúe que as baixas temperaturas destas descualifican ao redor do 75% dos modelos coñecidos.

Publicidade

Esta información, publicada na revista Nature Astronomy, supón un gran paso cara ao descubrimento da “ecuación de estado” que describa a todas as estrelas de neutróns, con importantes implicacións para as leis fundamentais do universo.

Despois dos buracos negros estelares (formados polo colapso dunha estrela masiva), as estrelas de neutróns son os obxectos máis densos do universo. Cada unha é o núcleo comprimido dunha estrela xigante que quedou despois de que esta explotase nunha supernova. Tras quedar sen combustible, o núcleo da estrela implosiona baixo a forza da gravidade mentres as súas capas exteriores son lanzadas ao espazo.

Publicidade

A materia no centro dunha estrela de neutróns está tan comprimida que a comunidade científica aínda non sabe que forma adopta. Estas estrelas reciben o seu nome polo feito de que, baixo esta inmensa presión, incluso os átomos colapsan: os electróns fusiónanse cos núcleos atómicos, convertendo os protóns en neutróns.

Con todo, podería ser aínda máis estraño, xa que a calor e a presión extremas poden estabilizar partículas máis exóticas que non sobreviven en ningún outro lugar, ou posiblemente fundir partículas nunha especie de sopa dos seus quarks constituíntes virando en espiral.

A ecuación de estado

O que ocorre no interior dunha estrela de neutróns descríbese pola chamada ecuación de estado, un modelo teórico que describe procesos físicos que poden ocorrer dentro dunha estrela de neutróns. O problema é que a comunidade científica aínda non sabe cal dos centos de modelos de ecuacións de estado posibles é correcto.

Mentres que o comportamento das estrelas de neutróns a nivel individual pode depender de propiedades como a súa masa ou a velocidade de xiro, todas as estrelas de neutróns deben rexerse pola mesma ecuación de estado.

Ao analizar os datos das misións XMM-Newton e Chandra, o equipo descubriu tres estrelas de neutróns excepcionalmente novas e frías que son entre 10 e 100 veces máis frías que outras da súa mesma idade.

Estrelas de neutróns singulares que se arrefrían rapidamente reescriben a física destes obxectos. Foto: ESA/ATG

Comparando as súas propiedades coas velocidades de arrefriado preditas por diferentes modelos, o equipo conclúe que a existencia destas tres estrelas de neutróns descarta a maioría das ecuacións de estado propostas.

“A curta idade e a fría temperatura da superficie destas tres estrelas de neutróns só poden explicarse apelando a un mecanismo de arrefriado rápido. Dado que un arrefriado mellorado só pode activarse mediante determinadas ecuacións de estado, isto permítenos excluír unha parte significativa dos posibles modelos”, explica a astrofísica Nanda Rea, cuxo grupo no ICE-CSIC e o IEEC liderou a investigación.

Descubrir a verdadeira ecuación de estado da estrela de neutróns tamén ten implicacións importantes para as leis fundamentais do universo. É sabido que os investigadores e investigadoras en física aínda non puideron unir a teoría da relatividade xeral (que describe os efectos da gravidade a grandes escalas) coa mecánica cuántica (que describe o que sucede a nivel das partículas). As estrelas de neutróns son o mellor campo de probas para isto, xa que teñen densidades e gravitación moito maiores que calquera cousa que poida ser creada na Terra.

Catro pasos cara ao descubrimento

As tres particulares estrelas de neutróns son tan frías que son demasiado débiles para que as vexan a maioría dos observatorios de raios X. “A magnífica sensibilidade de XMM-Newton e Chandra fixo posible non só detectar estas estrelas de neutróns, senón tamén colleitar suficiente luz como para determinar as súas temperaturas e outras propiedades”, afirma Camille Diez, investigadora da ESA que traballa con datos de XMM-Newton.

Con todo, as medidas foron só o primeiro paso para poder sacar conclusións sobre o que estes “bichos raros” significan para a ecuación de estado das estrelas de neutróns. Para iso, o equipo do ICE-CSIC combinou a experiencia de varios dos seus investigadores, como Daniele Viganò, coautor do código de simulacións de campos magnéticos.

Pola súa banda, o principal autor do estudo, Alessio Marino, do ICE e o IEEC, liderou o estudo das propiedades físicas das estrelas de neutróns: “O feito de que tres desas estrelas de neutróns sexan moito máis frías que outras de idades similares foi unha gran pista de que algo estraño podería estar a ocorrer dentro destes obxectos, algo que debemos comprender”.

Os autores puideron deducir as temperaturas das estrelas de neutróns a partir dos raios X emitidos desde as súas superficies. Tamén obtivo unha indicación precisa das súas idades polos tamaños e velocidades dos restos de supernova circundantes.

Despois, Clara Dehman, investigadora posdoutoral da Universidade de Alacante, liderou o cálculo das “curvas de arrefriado” das estrelas de neutróns para as ecuacións de estado que incorporan diferentes mecanismos de arrefriado. Isto implica representar o que predí cada modelo sobre como cambia co tempo a luminosidade dunha estrela de neutróns, unha característica directamente relacionada coa súa temperatura.

A forma destas curvas depende de varias propiedades diferentes dunha estrela de neutróns, e non todas poden determinarse con precisión a partir de observacións. Por esta razón, o equipo calculou as curvas de arrefriado para un rango de posibles masas de estrelas de neutróns e intensidades de campos magnéticos.

“Dado que as estrelas de neutróns máis masivas teñen máis partículas, poderían desencadearse procesos especiais que fan que as estrelas de neutróns se arrefríen máis rapidamente”, sinala Dehman, “é como ter algunhas das respostas dun crucigrama xa dispoñibles: fai que completar o resto das respostas sexa moito máis fácil”.

Uso de intelixencia artificial

Finalmente, unha análise estatística liderada por Konstantinos Kovlakas, investigador do ICE-CSIC e do IEEC, completou o estudo. O uso de machine learning ou aprendizaxe automática para determinar se as curvas de arrefriado simuladas se aliñan ben coas propiedades das tres estrelas de neutróns descubertas demostrou que as ecuacións de estado sen un mecanismo de arrefriado rápido non teñen ningunha posibilidade de coincidir cos datos.

“Se somos capaces de eliminar algunhas das posibilidades sobre o que hai dentro dunha estrela de neutróns, entón a seguinte pregunta que debemos facernos é: que queda?”, apunta Kovlakas.

“A investigación das estrelas de neutróns abarca moitas disciplinas científicas, que van desde a física de partículas ata as ondas gravitacionais. O éxito deste traballo demostra o fundamental que é o traballo en equipo para avanzar na nosa comprensión do universo”, conclúe Rea.


Referencia: Constraints on the dense matter equation of state from young and cold isolated neutron stars (Publicado en Nature Astronomy)

DEIXAR UNHA RESPOSTA

Please enter your comment!
Please enter your name here

Este sitio emprega Akismet para reducir o spam. Aprende como se procesan os datos dos teus comentarios.

Relacionadas

O catálogo de ondas gravitacionais, con presenza galega, actualízase con 35 novos eventos

Investigadores do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) participan na nova listaxe como parte da colaboración internacional LIGO

Descobren as fuxidías fusións de buracos negros con estrelas de neutróns

O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías participa na observación de dous raros eventos que ata agora nunca foran observados

O misterioso obxecto que se fusionou cun buraco negro hai 800 millóns de anos

Investigadores do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías participan no achado dun obxecto compacto de aproximadamente 2,6 masas solares

Galicia, presente na detección da segunda colisión de estrelas de neutróns

A colaboración LIGO, na que participa o Instituto Galego de Física de Altas Enerxías, confirmou este luns o evento detectado o 25 de abril de 2019