Investigadors de la UA participen en el descobriment de tres estrelles de neutrons massa fredes per a la seua edat

Els observatoris de raigs X XMM-Newton de l’Agència Espacial Europea (ESA) i Chandra de la NASA han detectat tres estrelles de neutrons joves inusualment fredes per a la seua edat. En comparar-ne les propietats amb diferents models d’estrelles de neutrons, un equip d’astrònoms de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya en l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i la Universitat d’Alacant (UA), ha conclòs en un estudi publicat en Nature Astronomy que les baixes temperatures d’aquestes desqualifiquen al voltant del 75% dels models coneguts. Aquest és un gran pas cap al descobriment de l’anomenada equació d’estat que descriga a totes les estrelles de neutrons, amb importants implicacions per a les lleis fonamentals de l’univers.

El treball ha comptat amb la participació de l’investigador del Departament de Física Aplicada de la Universitat d’Alacant, José A. Pons, com a colíder de l’estudi, i amb la investigadora postdoctoral d’aquesta mateixa institució Clara Dehman.

Després dels forats negres estel·lars, les estrelles de neutrons són els objectes més densos de l’univers. Cada estrella de neutrons és el nucli comprimit d’una estrella gegant que va quedar després que l’estrella explotara en una supernova. Després de quedar-se sense combustible, el nucli de l’estrella implota sota la força de la gravetat mentre les capes exteriors d’aquesta són llançades a l’espai.

La matèria en el centre d’una estrella de neutrons està tan comprimida que la comunitat científica encara no sap quina forma adopta. Les estrelles de neutrons reben el nom pel fet que, sota aquesta immensa pressió, fins i tot els àtoms, hi col·lapsen: els electrons es fusionen amb els nuclis atòmics, i converteixen els protons en neutrons. No obstant això, podria ser encara més estrany, ja que la calor i la pressió extremes poden estabilitzar partícules més exòtiques que no sobreviuen en cap altre lloc, o possiblement fondre partícules en una espècie de sopa dels seus quarks constituents girant en espiral.

El que ocorre a l’interior d’una estrella de neutrons es descriu per l’equació d’estat, un model teòric que descriu processos físics que poden ocórrer dins d’una estrella de neutrons. El problema és que encara es desconeix quin dels centenars de models d’equacions d’estat possibles és correcte. Mentre que el comportament de les estrelles de neutrons a nivell individual pot dependre de propietats com la massa o la velocitat de gir, totes les estrelles de neutrons han de regir-se per la mateixa equació d’estat.

Massa fredes

En analitzar les dades de les missions XMM-Newton de l’ESA i Chandra de la NASA, l’equip ha descobert tres estrelles de neutrons excepcionalment joves i fredes que són entre 10 i 100 vegades més fredes que d’altres de la seua mateixa edat. Comparant les seues propietats amb les velocitats de refredament predites per diferents models, l’equip conclou que l’existència d’aquestes tres estrelles de neutrons descarta la majoria de les equacions d’estat proposades.

«La curta edat i la freda temperatura de la superfície d’aquestes tres estrelles de neutrons només poden explicar-se apel·lant a un mecanisme de refredament ràpid. Atès que un refredament augmentat sol pot activar-se mitjançant determinades equacions d’estat, això ens permet excloure una part significativa dels possibles models», explica l’astrofísica Nanda Rea, investigadora en l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) i directora de la investigació.

Descobrir la verdadera equació d’estat de l’estrella de neutrons també té implicacions importants per a les lleis fonamentals de l’univers. És sabut que els investigadors en física encara no han pogut unir la teoria de la relativitat general (que descriu els efectes de la gravetat a grans escales) amb la mecànica quàntica (que descriu el que succeeix a nivell de les partícules). Les estrelles de neutrons són el millor camp de proves per a això, ja que tenen densitats i gravitació molt majors que qualsevol cosa que puga ser creada en la Terra.

Les tres particulars estrelles de neutrons són tan fredes que són massa febles perquè les vegen la majoria dels observatoris de raigs X. «La magnífica sensibilitat de XMM-Newton i Chandra va fer possible no sols detectar aquestes estrelles de neutrons, sinó també recol·lectar prou llum com per a determinar les seues temperatures i altres propietats», afirma Camille Deu, investigadora de l’ESA.

No obstant això, les mesures van ser només el primer pas per a poder traure conclusions sobre el que aquestes «bestioles estranyes» signifiquen per a l’equació d’estat de les estrelles de neutrons. Per a això, l’equip d’investigació de Nanda Rea en l’ICE-CSIC va combinar l’experiència dels investigadors Alessio Marí, Clara Dehman i Konstantinos Kovlakas, com també Daniele Viganò, coautor del codi de simulacions de camps magnètics.

En concret, Clara Dehman, la investigadora postdoctoral de la UA, va liderar el càlcul de les «corbes de refredament» de les estrelles de neutrons per a les equacions d’estat que incorporen diferents mecanismes de refredament. Això implica representar el que prediu cada model sobre com canvia amb el temps la lluminositat d’una estrella de neutrons, una característica directament relacionada amb la temperatura d’aquesta. La forma d’aquestes corbes depèn de diverses propietats diferents d’una estrella de neutrons, i no totes poden determinar-se amb precisió a partir d’observacions. Per aquesta raó, l’equip va calcular les corbes de refredament per a un rang de possibles masses d’estrelles de neutrons i intensitats de camps magnètics.

«Atès que les estrelles de neutrons més massives tenen més partícules, podrien desencadenar-se processos especials que fan que les estrelles de neutrons es refreden més ràpidament», assenyala la coautora Dehman. «És com tenir algunes de les respostes d’uns mots encreuats ja disponibles: fa que completar la resta de les respostes siga molt més fàcil», afig.