Las ondas gravitacionales hacen su magia: estamos más cerca de desvelar los enigmas de las estrellas de neutrones

Las estrellas de neutrones son unos de los escasísimos objetos del cosmos capaces de disputar su protagonismo a los agujeros negros. Y lo son debido a que las propiedades que han desentrañado los astrofísicos hasta ahora para caracterizarlas son asombrosas. Su formación sucede a la expulsión hacia el medio estelar de las capas externas de algunas estrellas, aunque solo si el objeto resultante tiene más de 1,44 masas solares, un valor conocido como límite de Chandrasekhar en honor del astrofísico indio que lo calculó, el remanente estelar colapsará una vez más para dar lugar a una estrella de neutrones.

Unos instantes antes de que se produzca la supernova el núcleo de hierro de las estrellas masivas se ve sometido a la enorme presión de las capas superiores de material, y también a la acción incesante de la contracción gravitacional. Estos procesos desencadenan un mecanismo de naturaleza cuántica que conlleva cambios muy importantes en la estructura de la materia, provocando que el hierro del núcleo estelar, que está sometido a una temperatura muy alta, se fotodesintegre bajo la acción de los fotones de alta energía, que constituyen una forma de transferencia de energía conocida como radiación gamma.

Estos fotones de altísima energía consiguen desintegrar el hierro y el helio acumulados en el núcleo de la estrella, dando lugar a la producción de partículas alfa, que son núcleos de helio que carecen de su envoltura de electrones, y que, por tanto, tienen carga eléctrica positiva, y neutrones. Además tiene lugar un mecanismo conocido como captura beta en el que no vamos a indagar para no complicar excesivamente el artículo. Lo importante es que sepamos que provoca que los electrones de los átomos de hierro interaccionen con los protones del núcleo, neutralizando su carga positiva y dando lugar a la producción de más neutrones.

Las ondas gravitacionales transportan información acerca del evento que las originó

Durante la formación de las estrellas de neutrones la materia inicial, que estaba constituida por protones, neutrones y electrones, pasa a estar conformada únicamente por neutrones porque, como acabamos de ver, los electrones y los protones han interaccionado mediante captura electrónica para dar lugar a más neutrones. A partir de ese momento la estrella ya no está constituida por materia ordinaria; se ha transformado en una especie de enorme cristal conformado solo por neutrones.

No obstante, una vez que la estrella ha alcanzado este estado podemos preguntarnos qué mecanismo permite que esa bola de neutrones consiga soportar y contrarrestar la presión ejercida por la infatigable contracción gravitacional. El fenómeno responsable de mantener la estrella de neutrones en equilibrio es el principio de exclusión de Pauli, un efecto de naturaleza cuántica en el que no es necesario que nos sumerjamos a fondo para evitar complicar mucho más el artículo.

Muy a grandes rasgos este principio, que fue enunciado por el físico austríaco Wolfgang Ernst Pauli en 1925, establece que dos fermiones de un mismo sistema cuántico no pueden permanecer en el mismo estado cuántico. Los quarks, que son las partículas elementales que constituyen los protones y los neutrones del núcleo atómico, son fermiones. Y los electrones, también. Para aproximar de una forma sencilla qué significa que dos fermiones no puedan adquirir el mismo estado cuántico y entender de dónde procede el equilibrio de las estrellas de neutrones podemos intuir que la imposibilidad de que dos neutrones ocupen el mismo lugar genera la presión necesaria para mantener la estrella en equilibrio.

Y esto nos lleva a la que sin duda es la característica más sorprendente de las estrellas de neutrones: su densidad. El radio medio de uno de estos objetos es de aproximadamente diez kilómetros, pero su masa es enorme. Comparadas, por ejemplo, con las estrellas que se encuentran en la secuencia principal, o, incluso, con las enanas blancas, las estrellas de neutrones son muy pequeñas, y acumular tanta masa en tan poco espacio provoca que un fragmento de un centímetro cúbico de una estrella de neutrones pese aproximadamente, ni más ni menos, mil millones de toneladas. Es asombroso que un pedacito de materia similar a un terrón de azúcar pueda tener un peso tan monstruoso.

Y llegamos, por fin, a las segundas protagonistas de este artículo: las ondas gravitatorias o gravitacionales. Estas perturbaciones generadas por los objetos masivos que están sometidos a una cierta aceleración se propagan a través del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz bajo la forma de unas ondas, que, en determinadas condiciones, los científicos son capaces de detectar. Su propiedad más importante consiste en que transportan información acerca del evento cósmico que las originó.

La sensibilidad de los interferómetros que utilizamos actualmente para identificarlas requiere que estas perturbaciones hayan sido originadas por eventos de una gran magnitud, como, por ejemplo, la colisión de dos agujeros negros. O de dos estrellas de neutrones. Este es el tipo de cataclismos cósmicos que actualmente podemos identificar a través de las perturbaciones que introducen en el tejido del espacio-tiempo. No obstante, los astrofísicos tienen otra herramienta a su disposición para estudiar las estrellas de neutrones y predecir su comportamiento: las simulaciones de alta resolución ejecutadas en un superordenador.

Precisamente un equipo de investigadores ha publicado un interesantísimo artículo en la revista The Astrophysical Journal Letters en el que explica qué procedimiento ha utilizado para simular la colisión de dos estrellas de neutrones y los efectos térmicos de este violento fenómeno en el objeto resultante. También ha predicho cómo serían las ondas gravitacionales que desencadenaría esta colisión, y lo más sorprendente es que han identificado una fuerte dependencia entre la temperatura del objeto remanente de la colisión y la frecuencia de las ondas gravitatorias.

Los interferómetros más avanzados disponibles actualmente, como LIGO, no tienen la sensibilidad necesaria para recoger las ondas gravitacionales instigadas por algunos de estos violentos fenómenos cósmicos. Aun así, con toda probabilidad la siguiente generación de estos ingeniosos dispositivos permitirá a los astrofísicos estudiar eventos como el que han simulado estos investigadores. Y con una herramienta tan poderosa en sus manos tendrán la oportunidad de conocer mejor cómo se comporta la materia ultradensa de las estrellas de neutrones, algo que es imposible llevar a cabo en la Tierra. No cabe duda de que el esfuerzo que es necesario realizar para identificar ondas gravitacionales merece la pena.

Imagen de portada: NASA | NASA Goddard Space Flight Center

Más información: The Astrophysical Journal Letters

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