Nueva herramienta permite a los científicos mirar dentro de las estrellas de neutrones

Imagina tomar una estrella con el doble de la masa del sol y aplastarla al tamaño de Manhattan. El resultado sería una estrella de neutrones, uno de los objetos más densos que se encuentran en cualquier parte del universo, superando la densidad de cualquier material que se encuentre naturalmente en la Tierra por un factor de decenas de billones. Las estrellas de neutrones son objetos astrofísicos extraordinarios por derecho propio, pero sus densidades extremas también podrían permitirles funcionar como laboratorios para estudiar cuestiones fundamentales de la física nuclear, en condiciones que nunca podrían reproducirse en la Tierra.

Debido a estas condiciones exóticas, los científicos aún no entienden de qué están hechas exactamente las estrellas de neutrones, su llamada «ecuación de estado» (EoS). Determinar esto es un objetivo principal de la investigación astrofísica moderna. Una nueva pieza del rompecabezas, que restringe el rango de posibilidades, ha sido descubierta por un par de académicos de la IAS: Carolyn Raithel, becaria John N. Bahcall en la Facultad de Ciencias Naturales; y Elias Most, Miembro de la Escuela y John A. Wheeler Fellow en la Universidad de Princeton. Su trabajo fue publicado recientemente en Las cartas del diario astrofísico.

Idealmente, a los científicos les gustaría mirar dentro de estos objetos exóticos, pero son demasiado pequeños y distantes para ser fotografiados con telescopios estándar. En cambio, los científicos se basan en propiedades indirectas que pueden medir, como la masa y el radio de una estrella de neutrones, para calcular la EoS, de la misma manera que uno podría usar la longitud de dos lados de un triángulo rectángulo para calcular su hipotenusa. Sin embargo, el radio de una estrella de neutrones es muy difícil de medir con precisión. Una alternativa prometedora para futuras observaciones es utilizar en su lugar una cantidad llamada «frecuencia espectral máxima» (o f₂) en su lugar.

pero como es f₂ ¿Medido? Las colisiones entre estrellas de neutrones, que se rigen por las leyes de la Teoría de la Relatividad de Einstein, conducen a fuertes ráfagas de emisión de ondas gravitacionales. En 2017, los científicos midieron directamente tales emisiones por primera vez. «Al menos en principio, la frecuencia espectral máxima se puede calcular a partir de la señal de onda gravitacional emitida por el remanente oscilante de dos estrellas de neutrones fusionadas», dice Most.

Anteriormente se esperaba que f₂ sería un proxy razonable para el radio, ya que, hasta ahora, los investigadores creían que existía una correspondencia directa, o «cuasi-universal», entre ellos. Sin embargo, Raithel y Most han demostrado que esto no siempre es cierto. Han demostrado que determinar la EoS no es como resolver un simple problema de hipotenusa. En cambio, es más parecido a calcular el lado más largo de un triángulo irregular, donde también se necesita una tercera información: el ángulo entre los dos lados más cortos. Para Raithel y Most, esta tercera pieza de información es la «pendiente de la relación masa-radio», que codifica información sobre la EoS en densidades más altas (y, por lo tanto, en condiciones más extremas) que el radio solo.

Este nuevo hallazgo permitirá a los investigadores que trabajan con la próxima generación de observatorios de ondas gravitacionales (los sucesores del LIGO actualmente en funcionamiento) utilizar mejor los datos obtenidos después de las fusiones de estrellas de neutrones. Según Raithel, estos datos podrían revelar los componentes fundamentales de la materia de las estrellas de neutrones. «Algunas predicciones teóricas sugieren que dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones, las transiciones de fase podrían disolver los neutrones en partículas subatómicas llamadas quarks», afirmó Raithel. «Esto significaría que las estrellas contienen un mar de materia libre de quarks en su interior. Nuestro trabajo puede ayudar a los investigadores del mañana a determinar si tales transiciones de fase realmente ocurren».