La protagonista de este artículo es una estrella de neutrones, pero no una cualquiera; se trata, ni más ni menos, que de un magnetar, que es una clase muy especial de estrella de neutrones. ASIM, uno de los instrumentos científicos instalados en la Estación Espacial Internacional, ha identificado una erupción magnética extremadamente violenta emitida por un magnetar situado aproximadamente a trece millones de años luz de la Tierra.
Sí, es una distancia enorme, pero la intensidad del destello que desencadenó este objeto fue brutal: en solo una décima de segundo emitió tanta energía como nuestro Sol en 100 000 años. Este acontecimiento fue identificado por los científicos el 15 de abril de 2020, y desde entonces un grupo de técnicos liderado por astrofísicos del CSIC lo ha estado estudiando para conocer mejor las extrañas propiedades que tienen los magnetares.
El artículo que contiene sus conclusiones ha sido publicado en Nature hace unas horas, y es una herramienta muy valiosa que nos permite adentrarnos en el interior de uno de los objetos más apasionantes que podemos encontrar en el cosmos. Los magnetares son extraños y poco frecuentes; de hecho, hasta ahora los cosmólogos apenas han conseguido identificar una treintena, y cuando entran en erupción desencadenan uno de los eventos cosmológicos más violentos presenciados por el ser humano.
Las estrellas de neutrones nacen cuando las supernovas marcan el fin del latido estelar
Antes de que indaguemos en los magnetares para saber qué son y por qué tienen unas propiedades tan extrañas merece la pena que repasemos qué es una estrella de neutrones. Al fin y al cabo, como hemos visto, un magnetar es una clase de estrella de neutrones. Cuando una estrella masiva agota su fuente de energía se produce un desequilibrio entre la contracción gravitacional, que tira de la materia de la estrella hacia dentro, hacia su interior, y la presión de radiación y de los gases, que intenta que la estrella se expanda.
Durante la etapa en la que la estrella mantiene las reservas de combustible necesarias para que las reacciones de fusión nuclear tengan lugar en su interior ambas fuerzas se contrarrestan, manteniendo a la estrella en equilibrio. Pero cuando la fuente de energía se agota la presión de radiación y de los gases se detiene, y la contracción gravitacional, que no puede seguir siendo contrarrestada, provoca el colapso de la estrella. En ese instante su núcleo de hierro se contrae de forma abrupta, y las capas superiores de material caen sobre él, rebotando y saliendo despedidas con una gigantesca energía hacia el exterior. Acaba de producirse una supernova.
Si os apetece indagar con mucha más profundidad en las diferentes fases por las que discurre la vida de una estrella os sugiero que echéis un vistazo al artículo que enlazo aquí mismo. En él explicamos estos procesos con más detalle. Sigamos adelante. El núcleo de hierro de la estrella no sale indemne de este evento. La enorme presión a la que es sometido provoca cambios muy importantes en su estructura, por lo que deja de estar conformado por materia ordinaria, con sus protones, neutrones y electrones, y pasa a estar compuesto por lo que los astrofísicos llaman materia degenerada.
La contracción gravitacional provoca cambios muy severos en la estructura del núcleo de hierro, que pasa a estar constituido por materia degenerada
Si el objeto que queda después de que la estrella haya expulsado hacia el medio estelar sus capas externas bajo la forma de una supernova 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 nuestra estrella masiva 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.
Durante la fase conocida como secuencia principal la estrella obtiene su energía de la fusión de los núcleos de hidrógeno.
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.
Un fragmento de un centímetro cúbico de una estrella de neutrones pesa aproximadamente mil millones de toneladas
Durante este proceso 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.
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.
Qué es un magnetar y qué lo hace tan especial
Ya sabemos con cierta precisión qué es una estrella de neutrones, por lo que podemos indagar en los magnetares con menos esfuerzo y mayores garantías de éxito. Estas magnetoestrellas no son otra cosa que una clase peculiar de estrellas de neutrones capaces de expulsar durante un instante breve de tiempo una gigantesca cantidad de energía en forma de rayos gamma y rayos X. Como hemos visto al principio de este artículo, el magnetar que ha identificado el instrumento ASIM de la Estación Espacial emitió en una décima de segundo tanta energía como nuestro Sol en 100 000 años.
Lo que han conseguido los investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía, que pertenece al CSIC, durante el análisis minucioso de los datos recogidos por ASIM es medir las oscilaciones del brillo del magnetar durante los instantes de mayor proyección de energía. De esta forma han conseguido entender un poco mejor qué provoca estas colosales erupciones energéticas. Aún queda mucho por hacer para comprender este mecanismo en toda su extensión, pero estos astrofísicos creen que su origen reside en las inestabilidades de su magnetosfera, que son algo así como unos pequeños terremotos que tienen lugar en la corteza de la estrella.
Esta capa tiene aproximadamente un kilómetro de grosor, y en ella se originan unas oscilaciones conocidas como ondas de Alfvén que también están presentes en el Sol. Estas ondas rebotan en la corteza de la estrella e interactúan entre ellas, provocando la emisión de grandes cantidades de energía. La información nueva que arroja este estudio acerca de las tensiones magnéticas que se dan en el interior y la periferia de las estrellas de neutrones ha sido posible gracias a la alta calidad de los datos que ha recogido el instrumento ASIM.
No obstante, Javier Pascual, uno de los investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía que ha participado en el estudio, nos explica lo complicado que ha sido el análisis de los datos: «La detección de oscilaciones ha supuesto todo un reto desde el punto de vista del análisis de la señal. La dificultad radica en su brevedad, cuya amplitud decae rápidamente y queda embebida en el ruido de fondo. Resulta difícil distinguir la señal del ruido. Debemos este logro a las sofisticadas técnicas de análisis de datos que se han aplicado de manera independiente por los distintos miembros del equipo».
Gracias al esfuerzo de estos astrofísicos españoles, y también al de muchos otros investigadores diseminados por todo el planeta, hoy conocemos un poco mejor las estrellas de neutrones que ayer. Y sí, como hemos comprobado a lo largo de este artículo, son uno de los objetos más asombrosos de cuantos podemos observar en el universo del que formamos parte. Aún queda mucho trabajo por hacer para entender mejor tanto este como otros fenómenos de los que apenas sabemos un puñado de cosas, pero podemos estar seguros de que el esfuerzo merece la pena.
Imágenes | NASA Goddard Space Flight Center
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