Tres estrellas de neutrones demasiado frías desafían a los astrofísicos

Los observatorios de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA han detectado tres estrellas de neutrones jóvenes inusualmente frías para su edad.

Al comparar sus propiedades con diferentes modelos de estrellas de neutrones, un equipo de astrónomos liderado por el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), en colaboración con el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) y la Universidad de Alicante, concluye que las bajas temperaturas de estas descalifican alrededor del 75 % de los modelos conocidos.

Esta información, publicada en la revista Nature Astronomy, supone un gran paso hacia el descubrimiento de la “ecuación de estado” que describa a todas las estrellas de neutrones, con importantes implicaciones para las leyes fundamentales del universo.

Después de los agujeros negros estelares (formado por el colapso de una estrella masiva), las estrellas de neutrones son los objetos más densos del universo. Cada una es el núcleo comprimido de una estrella gigante que quedó después de que esta explotara en una supernova. Tras quedarse sin combustible, el núcleo de la estrella implosiona bajo la fuerza de la gravedad mientras sus capas exteriores son lanzadas al espacio. 

La materia en el centro de una estrella de neutrones está tan comprimida que la comunidad científica aún no sabe qué forma adopta. Estas estrellas reciben su nombre por el hecho de que, bajo esta inmensa presión, incluso los átomos colapsan: los electrones se fusionan con los núcleos atómicos, convirtiendo los protones en neutrones.

No obstante, podría ser todavía más extraño, ya que el calor y la presión extremos pueden estabilizar partículas más exóticas que no sobreviven en ningún otro lugar, o posiblemente fundir partículas en una especie de sopa de sus quarks constituyentes girando en espiral.

La ecuación de estado 

Lo que ocurre en el interior de una estrella de neutrones se describe por la llamada ecuación de estado, un modelo teórico que describe procesos físicos que pueden ocurrir dentro de una estrella de neutrones. El problema es que la comunidad científica todavía no sabe cuál de los cientos de modelos de ecuaciones de estado posibles es correcto.

Mientras que el comportamiento de las estrellas de neutrones a nivel individual puede depender de propiedades como su masa o la velocidad de giro, todas las estrellas de neutrones deben regirse por la misma ecuación de estado.

Al analizar los datos de las misiones XMM-Newton y Chandra, el equipo ha descubierto tres estrellas de neutrones excepcionalmente jóvenes y frías que son entre 10 y 100 veces más frías que otras de su misma edad.

Comparando sus propiedades con las velocidades de enfriamiento predichas por diferentes modelos, el equipo concluye que la existencia de estas tres estrellas de neutrones descarta la mayoría de las ecuaciones de estado propuestas.

«La corta edad y la fría temperatura de la superficie de estas tres estrellas de neutrones sólo pueden explicarse apelando a un mecanismo de enfriamiento rápido. Dado que un enfriamiento mejorado sólo puede activarse mediante determinadas ecuaciones de estado, esto nos permite excluir una parte significativa de los posibles modelos», explica la astrofísica Nanda Rea, cuyo grupo en el ICE-CSIC y el IEEC ha liderado la investigación.

Descubrir la verdadera ecuación de estado de la estrella de neutrones también tiene implicaciones importantes para las leyes fundamentales del universo. Es sabido que los investigadores e investigadoras en física todavía no han podido unir la teoría de la relatividad general (que describe los efectos de la gravedad a grandes escalas) con la mecánica cuántica (que describe lo que sucede a nivel de las partículas). Las estrellas de neutrones son el mejor campo de pruebas para esto, ya que tienen densidades y gravitación mucho mayores que cualquier cosa que pueda ser creada en la Tierra.

Cuatro pasos hacia el descubrimiento 

Las tres particulares estrellas de neutrones son tan frías que son demasiado débiles para que las vean la mayoría de los observatorios de rayos X. «La magnífica sensibilidad de XMM-Newton y Chandra hizo posible no sólo detectar estas estrellas de neutrones, sino también recolectar suficiente luz como para determinar sus temperaturas y otras propiedades», afirma Camille Diez, investigadora de la ESA que trabaja con datos de XMM-Newton.

Sin embargo, las medidas fueron solo el primer paso para poder sacar conclusiones sobre lo que estos “bichos raros” significan para la ecuación de estado de las estrellas de neutrones. Para ello, el equipo del ICE-CSIC combinó la experiencia de varios de sus investigadores, como Daniele Viganò, coautor del código de simulaciones de campos magnéticos.

Por su parte, el principal autor del estudio, Alessio Marino, del ICE y el IEEC, lideró el estudio de las propiedades físicas de las estrellas de neutrones: «El hecho de que tres de esas estrellas de neutrones sean mucho más frías que otras de edades similares fue una gran pista de que algo extraño podría estar ocurriendo dentro de estos objetos, algo que debemos comprender».

Los autores pudieron deducir las temperaturas de las estrellas de neutrones a partir de los rayos X emitidos desde sus superficies. También obtuvo una indicación precisa de sus edades por los tamaños y velocidades de los restos de supernova circundantes. 

Después, Clara Dehman, investigadora postdoctoral de la Universidad de Alicante, lideró el cálculo de las “curvas de enfriamiento” de las estrellas de neutrones para las ecuaciones de estado que incorporan diferentes mecanismos de enfriamiento. Esto implica representar lo que predice cada modelo sobre cómo cambia con el tiempo la luminosidad de una estrella de neutrones, una característica directamente relacionada con su temperatura.

La forma de estas curvas depende de varias propiedades diferentes de una estrella de neutrones, y no todas pueden determinarse con precisión a partir de observaciones. Por esta razón, el equipo calculó las curvas de enfriamiento para un rango de posibles masas de estrellas de neutrones e intensidades de campos magnéticos.

«Dado que las estrellas de neutrones más masivas tienen más partículas, podrían desencadenarse procesos especiales que hacen que las estrellas de neutrones se enfríen más rápidamente», señala Dehman, «es como tener algunas de las respuestas de un crucigrama ya disponibles: hace que completar el resto de las respuestas sea mucho más fácil».

Uso de inteligencia artificial

Finalmente, un análisis estadístico liderado por Konstantinos Kovlakas, investigador del ICE-CSIC y del IEEC, completó el estudio. El uso de machine learning o aprendizaje automáticopara determinar si las curvas de enfriamiento simuladas se alinean bien con las propiedades de las tres estrellas de neutrones descubiertas demostró que las ecuaciones de estado sin un mecanismo de enfriamiento rápido no tienen ninguna posibilidad de coincidir con los datos.

«Si somos capaces de eliminar algunas de las posibilidades sobre lo que hay dentro de una estrella de neutrones, entonces la siguiente pregunta que debemos hacernos es: ¿qué queda?», apunta Kovlakas.

«La investigación de las estrellas de neutrones abarca muchas disciplinas científicas, que van desde la física de partículas hasta las ondas gravitacionales. El éxito de este trabajo demuestra lo fundamental que es el trabajo en equipo para avanzar en nuestra comprensión del universo», concluye Rea.

Referencia:

Alessio Marino et al. “Constraints on the dense matter equation of state from young and cold isolated neutron stars”. Nature Astronomy, 2024