Las ondas gravitacionales darán a los astrónomos una nueva forma de mirar dentro de las estrellas de neutrones


Es difícil estudiar las estrellas de neutrones. Están a años luz de distancia y solo tienen unos 20 kilómetros de diámetro. También están hechos del material más denso del universo. Tan denso que los núcleos atómicos se fusionan para convertirse en un fluido complejo. Durante años, nuestra comprensión de los interiores se basó en modelos físicos complejos y en los pocos datos que pudimos recopilar de los telescopios ópticos. Pero eso está empezando a cambiar.

Ilustración que muestra la fusión de dos estrellas de neutrones. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Laboratorio CI

El interior de una estrella de neutrones se rige por la ecuación de estado de la materia nuclear, conocida como ecuación de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). Las ecuaciones son tan complejas que requieren computadoras poderosas para calcularlas, y las respuestas que arroja el TOV dependen de algunas suposiciones que hacemos sobre cómo se comporta la materia nuclear en grandes cantidades. Así que hay mucha confusión en nuestra comprensión de las estrellas de neutrones. Sabemos que suelen tener unos 20 kilómetros de diámetro, pero no sabemos la relación exacta entre la masa y el tamaño de una estrella de neutrones. Desde el punto de vista de la observación, sabemos que el límite de masa superior para una estrella de neutrones es de aproximadamente dos masas solares, pero no conocemos un límite absoluto como lo sabemos para las enanas blancas. Tampoco sabemos si los quarks pueden liberarse en el interior para formar un extraño tipo de estrella de quarks.

Uno de los desafíos para responder a estas preguntas es la limitación de los datos ópticos que tenemos. No podemos ver el interior de una estrella de neutrones, por lo que estamos limitados a observaciones indirectas. A partir de las observaciones de los púlsares de radio, sabemos, por ejemplo, que las estrellas de neutrones sufren terremotos estelares tan poderosos que cambian la velocidad de rotación de una estrella de neutrones. Esto nos dice que las estrellas de neutrones probablemente tengan una corteza rígida que ocasionalmente se agrieta cuando la estrella de neutrones se enfría. También tenemos una idea del interior de una estrella de neutrones al observar los espectros de las supernovas que se forman cuando las estrellas de neutrones chocan. Los elementos resultantes formados por la explosión nos dan datos indirectos sobre la composición interior. Pero nuestra comprensión todavía se basa en gran medida en la teoría. Sería bueno tener un nuevo tipo de herramienta para estudiar estrellas de neutrones que no sean telescopios ópticos.

Por suerte para nosotros, tenemos uno. Los telescopios de ondas gravitacionales no solo han detectado fusiones de agujeros negros, sino que también han detectado fusiones de estrellas de neutrones. Las ondas producidas cuando dos estrellas de neutrones giran en espiral una hacia la otra no son tan poderosas como las creadas por los agujeros negros, pero estamos mejorando en su detección. Y la próxima generación de telescopios de ondas gravitacionales podrá estudiar las fusiones de estrellas de neutrones con mayor detalle. Este fue el enfoque de un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters.

Las ondas gravitacionales dan una relación entre la masa y el tamaño de la estrella de neutrones. Crédito: Pratten, et al.

El estudio analiza cómo las ondas gravitacionales de las estrellas de neutrones inspiradoras se ven afectadas por el tamaño y la forma de las estrellas de neutrones. A diferencia de las fusiones de agujeros negros, que se rigen completamente por la relatividad general, las fusiones de estrellas de neutrones dependen en parte de cómo las estrellas de neutrones cambian de forma bajo la tensión gravitacional. Si las estrellas de neutrones son más rígidas, permanecerán bastante esféricas a medida que se acerquen, pero si son más fluidas, se deformarán pronto. El equipo utilizó un modelo sofisticado para conectar los patrones de ondas gravitacionales con la ecuación de estado de la estrella de neutrones y descubrió que las futuras observaciones de ondas gravitacionales podrían reducir la ecuación de estado.

El efecto sobre las ondas gravitacionales es pequeño, pero el equipo ha creado un modelo para la próxima ejecución de Advanced LIGO. También tienen modelos listos para la próxima generación de instrumentos LIGO conocidos como A+, que debería tener su primera ejecución de observación en 2025. Por lo tanto, no debería pasar mucho tiempo antes de que tengamos una ola de datos que finalmente podría revelar el interior profundo de las estrellas de neutrones. .

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