Las estrellas de neutrones son objetos extremos y misteriosos cuyo interior los astrofísicos no pueden ver. Con un radio de unos 12 kilómetros, pueden tener más del doble de la masa del sol. La materia en ellos está empaquetada hasta cinco veces más densamente que en un núcleo atómico; Junto con los agujeros negros, son los objetos más densos del universo.
En condiciones extremas, la materia puede adoptar estados exóticos. Una hipótesis es que los componentes básicos de los núcleos atómicos (protones y neutrones) se deforman en placas y cuerdas, similares a lasaña o espagueti, razón por la cual los expertos llaman a esto «pasta nuclear».
Investigadores del Departamento de Física de TU Darmstadt y del Instituto Niels Bohr de Copenhague han adoptado un nuevo enfoque teórico para investigar el estado de la materia nuclear en la corteza interna de las estrellas de neutrones. Demostraron que tanto los neutrones como los protones pueden «gotear» de los núcleos atómicos y estabilizar la «pasta nuclear». Sus hallazgos se informan en Physical Review Letters.
Las estrellas de neutrones se forman cuando estrellas masivas explotan en una supernova: mientras las capas exteriores de la estrella son lanzadas al espacio, su interior colapsa. Los átomos son literalmente aplastados por la enorme fuerza gravitacional. A pesar de su repulsión, los electrones cargados negativamente son presionados tan cerca de los protones cargados positivamente en el núcleo atómico que se transforman en neutrones.
La fuerte fuerza nuclear evita entonces un mayor colapso. El resultado es un objeto que consta de alrededor de un 95% de neutrones y un 5% de protones: una «estrella de neutrones».
Los investigadores de Darmstadt, dirigidos por Achim Schwenk, son expertos en física nuclear teórica y las estrellas de neutrones son uno de sus intereses de investigación. En su trabajo actual se centran en la corteza de estos objetos extremos. La materia en la corteza exterior no es tan densa como en el interior y todavía hay núcleos atómicos.
A medida que aumenta la densidad, se desarrolla un exceso de neutrones en los núcleos atómicos. Luego, los neutrones pueden «gotear» fuera de los núcleos, un fenómeno conocido como «goteo de neutrones». Por tanto, los núcleos atómicos «nadan» en una especie de salsa de neutrones.
«Nos preguntamos si los protones también pueden salir del núcleo», dice Achim Schwenk. «La literatura no era clara al respecto», continúa el físico. El equipo formado por Jonas Keller y Kai Hebeler de TU Darmstadt y Christopher Pethick del Instituto Niels Bohr de Copenhague ha calculado el estado de la materia nuclear en las condiciones de la corteza de la estrella de neutrones.
A diferencia de antes, calcularon directamente su energía en función de la fracción de protones. Además, incluyeron en sus cálculos las interacciones por pares entre partículas y entre tres nucleones.
El método tuvo éxito: los investigadores pudieron demostrar que los protones de la corteza interna también gotean del núcleo. Entonces, el «goteo de protones» realmente existe. Esta fase formada por protones coexiste con los neutrones.
«También pudimos demostrar que esta fase favorece el fenómeno de la pasta nuclear», afirma Schwenk. Gracias a los protones esparcidos en la «salsa», los nucleones pueden existir mejor en forma de espagueti y lasaña. Esto permitió al equipo perfeccionar la imagen de la materia nuclear en la corteza de las estrellas de neutrones.
«Cuanto mejor podamos describir las estrellas de neutrones, mejor podremos compararlas con las observaciones astrofísicas», afirma Schwenk. Las estrellas de neutrones son difíciles de captar astrofísicamente. Por ejemplo, sólo conocemos su radio indirectamente a partir de los efectos gravitacionales sobre otra estrella de neutrones. Además, se pueden observar otros fenómenos, como la emisión de radio pulsante de estrellas de neutrones.
El resultado del equipo mejora la comprensión teórica de las estrellas de neutrones y contribuye a obtener nuevos conocimientos sobre estos misterios del universo a partir de mediciones astrofísicas.
Con información de Physical Review Letters (2024)
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