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Siguiendo con la serie de publicaciones de objetos estelares interesantes, que inicié la semana pasada con los agujeros negros, esta semana les hablaré un poco sobre las estrellas de neutrones, aun cuando son menos conocidas que los primeros representan, en mi opinión objetos más interesantes e incluso potencialmente más peligrosos que los primeros.

¿Qué son las estrellas de neutrones?

Las estrellas de neutrones son, junto a las enanas blancas y los agujeros negros, uno de los posibles restos, que dejan las estrellas tras su muerte, específicamente las estrellas super masivas, están conformadas mayormente por neutrones, producto de la combinación de los electrones con los protones de los núcleos atómicos, debido a las intensas presiones producto del colapso gravitacional de una enana blanca.

Estas estrellas pueden tener una masa de entre 1,5 a 2,3 veces la solar, en un diámetro de alrededor de los 12 km. Se calcula la densidad de las estrellas de neutrones es en promedio mayor que la del propio núcleo atómico, llegando incluso a ser de más del doble, en su núcleo más denso.

Fueron los astrónomos Walter Baade y Fritz Zwicky quienes propusieron su existencia en 1934, después del descubrimiento del neutrón en 1932; pero fue en 1967, que Jocelyn Bell y Antony Hewish descubrieron la primera señal de radio proveniente de un pulsar, los que luego fueron relacionados por T. Gold, en 1968, con las estrellas de neutrones.

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En 2017, gracias al evento GW170817, que consistió en la colisión de dos estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993 en la constelación de Hydra, la cual pudo ser observada en todas las posibles longitudes de onda del espectro electromagnético, además de la detección de sus ondas gravitacionales, se logró ampliar el conocimiento de estas estrellas, incluyendo obtener una mejor aproximación al valor límite de masa que pueden tener antes del colapso a un agujero negro. Durante este evento se cree que, tras la colisión de las estrellas de neutrones, ambas se fusionaron en una de mayor masa, que inmediatamente colapsó en un agujero negro, este evento generó una expulsión de materia, compuesta, principalmente, por elementos más pesados que el hierro, que podría equivaler a 16.000 veces la masa de la tierra.

Algunos de los objetos más fascinantes del espacio, son realmente estrellas de neutrones o están relacionados con ellas; los púlsares, los magnetares y las teóricas estrellas Q, son una muestra de ellos, al igual que las Kilonovas, como la del evento GW170817, las cuales se creen que son el origen de los elementos más pesados que el hierro, como el oro y el platino.

¿Cómo se forman las estrellas de neutrones?

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Estos objetos son el producto de la muerte en forma de supernova de las estrellas supergigantes, como producto de la expulsión violenta de sus capas externas de la estrella, el núcleo, rico en hierro, más pesado y denso queda expuesto y colapsa sobre sobre si mismo, a causa de las intensas presiones, este colapso podría conducir a la formación de una enana blanca, sin embargo si la masa supera el Límite de Chandrasekhar, equivalente a 1,44 veces la masa del Sol, la degeneración de los electrones no podrá detener el colapso gravitacional y los electrones se verán comprimidos en los núcleos atómicos, forzándolos a combinarse con los protones para formar neutrones. A consecuencia de lo cual se formaría una estrella de neutrones.

Otro proceso que puede dar origen a una estrella de neutrones, es por la acreción de materia en una enana blanca, parte de un sistema binario. El material absorbido por la enana blanca, incrementa la presión en la estrella forzando un proceso similar al que se da en las supernovas, superando la presión de degeneración de los electrones, obligando a éstos a combinarse con los protones, formando neutrones.

Al igual que en las enanas blancas, las estrellas de neutrones mantendrían su estabilidad gracias a la degeneración de los neutrones, un proceso que estaría definido por el principio de exclusión de Pauli, según el cual dos Fermiones¹, no pueden tener el mismo estado cuántico, ni ocupar el mismo espacio al mismo tiempo. Mientras la masa de la estrella de neutrones sea menor al Límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, que corresponde a las 2,3 masas solares, se mantendrá estable, pero si supera ese límite, la degeneración de los neutrones no podrá detener el colapso gravitacional, que conduciría a la formación de un agujero negro o según algunos modelos computacionales una Estrella de Cuarks

¿Cuál es la estructura de una estrella de neutrones?

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En una estrella de neutrones se pueden distinguir dos estructuras, la primera es una coraza externa formada por hierro en estado sólido, esta es la parte menos densa de la estrella, y un núcleo en estado de liquido en los que las presiones pueden llegar a los 8*10¹⁷ kg/m³, algunos modelos predicen que motivado a las grandes presiones en las capas más internas del núcleo éstas estarían formadas por un Materia Extraña², sin embargo no existe certidumbre respecto a la estructura interna de estos objetos.

¿Qué son los pulsares?

Un pulsar es una estrella de neutrones que gira a una gran velocidad, emitiendo un chorro de radiación en el espectro de los rayos X, gamma y ondas de radio, debido a la captura de materia de proveniente de alguna fuente cercana como una estrella o nube de gas.

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Algunas estrellas de neutrones giran a velocidades de cientos de revoluciones por segundo, la fuerza centrifuga producida por este movimiento sólo puede ser contrarrestada por el intenso campo gravitacional de la estrella, en este proceso las partículas de materia que son atrapadas por el intenso campo magnético de la estrella, forman espirales hacia los polos magnéticos causando la expulsión continua de radiación, debido al intenso calentamiento de la materia atrapada.

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Estos chorros de radiación pueden ser percibidos como pulsaciones regulares, pues aun cuando son continuos, los polos magnéticos de la estrella están desplazados del eje de rotación, por lo que cada chorro describiría una figura en forma de cono y sólo puede ser detectado en el punto de su trayectoria en el que apunta a la Tierra, estas pulsaciones suelen ser tan regulares que han sido usadas para la calibración de relojes de precisión.

El primer púlsar fue descubierto por Jocelyn Bell y Antony Hewish, en 1967 quienes en un principio asociaron la regularidad de su señal radioeléctrica con un posible señal de vida extraterrestre, posteriormente tras el descubrimientos de otras fuentes de radio similares, se relacionó con las emisiones de estrellas de neutrones.

¿Qué son los magnetares?

Los magnetares son estrellas de neutrones con un campo magnético muy superior al que regularmente tienen este tipo de estrellas, que además se ve acompañado con una velocidad de rotación menor, por lo general las estrellas de neutrones rotan a velocidades que van desde poco más de una hasta cientos de revoluciones por segundos, mientras que los magnetares giran a periodos de hasta una revolución cada 10 segundos.

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Los magnetares son fundamentalmente un tipo de púlsares, y al igual que éstos presentan emisiones de radiación de alta energía, sin embargo, en el caso de los magnetares, el campo electromagnético es hasta mil veces mayor al de un pulsar, su intensidad es tal que además de provocar la emisión de rayos gamma o X, motivados a la atracción de materia, también produce estallidos repentinos de extrema violencia, causados por sismos superficiales de su corteza, los cuales desestabilizan el poderoso campo magnético, generando descomunales expulsiones ocasionales de radiación gamma o rayos X.

En 2004 fue detectada una de estas explosiones de rayos gamma, la cual produjo una ionización parcial de la atmósfera superior y la salida de servicio temporal de algunos satélite de comunicaciones, este evento fue denominado GRB 080319B y fue localizado en un magnetar situado a unos 50.000 anos luz de la tierra, en la constelación de Sagitario, se estima que si la tierra hubiese estado ubicada a unos 10 años luz de la fuente de esta emisión, su capa de ozono habría sido arrasada y muy probablemente la atmósfera destruida, se estima que la emisión de radiación de este evento pudo ser equivalente a la emitida por el Sol en 250.000 años.

¿Qué son las estrellas Q?

Recientemente se teoriza sobre la posible existencia de un tipo especial de estrellas de neutrones, llamadas Estrellas Q, las cuales tendrían masas superiores a los 3 masa solares y rotarían a velocidades superiores a los 0,5 milisegundos por revolución; incluso se especula que este tipo de estrellas podría tener tamaños que van desde decenas de centímetros hasta algunos kilómetros, este tipo de estrellas podría llegar a confundirse con agujeros negros de masa estelar.

Las estrellas Q, estarían conformadas por una forma exótica de materia y podrían llegar a tener radios de 1,5 veces el radio de Schwarzschild correspondiente a su masa, este tipo de objetos estaría definido gracias a un conjunto de soluciones a las ecuaciones de campo basadas en materia exótica. La peculiaridad de este objeto hipotético, es que, de existir, podría ser indistinguible de un agujero negro, aun ante la observación directa, sólo se podría diferenciar si se lograse comprobar la ausencia de una superficie.

¿Pueden morir las estrellas de neutrones?

Las estrellas de neutrones a diferencia de los agujeros negros que terminaría por desaparecer a causa de la radiación Hawking, después de un descomunal periodo de tiempo; podrían no tener un final y existir por siempre, esto si no se presenta un escenario de Big-Rip o de desintegración de los protones. En el caso de un posible Big-Rip, terminarían desgarradas por la energía oscura al igual que toda la materia. Mientras que en el escenario de un Big-Freeze, si se confirmara la desintegración de los protones, la desintegración de los que conformarían los átomos de hierro de su coraza, terminaría reduciendo su masa por debajo del límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, y haciéndolas decaer en enanas blancas, con la consecuente desintegración de los protones de sus átomos constituyentes. Según otro escenario, si no se da la desintegración de los protones, también podrían decaer a causa del efecto túnel, en un periodo de tiempo aun mayor que el que tardaría en desaparecer los agujeros negros a causa de la radiación Hawking.

Bien, con esto concluye la publicación, espero que haya sido de su agrado, estoy atento a sus comentarios, gracias por su atención.

Notas:

1. Fermiones: son uno de los dos tipos básicos de partículas elementales, se caracterizan por tener spin semi-entero, y se subdividen en cuarks y leptones, son las partículas constitutivas de la materia.

2. Materia Exótica: sería esencialmente una forma de materia en la que los cuarks no estarían confinados en los protones y neutrones, se especula que en el universo este tipo de materia podría existir en los núcleos de las estrellas de neutrones

Referencias:

• ABC.es, Hay «materia extraña» más allá de la Tabla Periódica, ABC.es
• Curiosoando.com, ¿Qué es un púlsar?, Curiosoando.com
• Instituto de Astronomía - UNAM, Estrellas de Neutrones, Astronomía de Altas Energías.
• Epsilon Magazine, Magnetares, los objetos mas aterradores del universo, Epsilon Magazine
• J. C. Miller T. Shahbaz L. A. Nolan (1998), Are Q-stars a serious threat for stellar-mass black hole candidates?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 294, Issue 2, 21
• Wikipedia, Magnetar. Wikipedia
• Wikipedia, Púlsar. Wikipedia
• Wikipedia, Estrella de neutrones. Wikipedia
• Wikipedia, GW170817. Wikipedia