Inicio Intelectualidad Las ondas gravitacionales iluminan el interior de las estrellas de neutrones

Las ondas gravitacionales iluminan el interior de las estrellas de neutrones

Los cadáveres estelares encierran un profundo misterio. Las estrellas de neutrones, el pequeño astro que queda cuando ciertas estrellas muy masivas acaban sus días en forma de supernova, constituyen la materia más densa del universo, solo superada por los agujeros negros. En ellas, la gravedad ha comprimido hasta tal punto los átomos que los protones y los electrones se han combinado para formar neutrones. El resultado es una estrella muerta del tamaño de una pequeña ciudad pero con una masa mayor que la del Sol.

El 95 por ciento de esa masa se encuentra en forma de neutrones. Sin embargo, hace tiempo que los físicos se preguntan qué ocurre en el centro de estos astros, donde la densidad alcanza su valor máximo. ¿Se descomponen los neutrones en los quarks y gluones constituyentes? ¿Se transforman esos quarks, que en circunstancias normales tendrían que ser de tipo arriba y abajo, en otros de tipo extraño, más masivos y ausentes en la materia ordinaria? ¿Forman las partículas un superfluido, un estado extremo de la materia carente de viscosidad? Ahora, los físicos han conseguido acercarse un poco más al funcionamiento interno de estos extraños cuerpos gracias al estudio de la luz y las ondas gravitacionales emitidas cuando dos estrellas de neutrones chocan y se fusionan en un agujero negro.

Las ondas gravitacionales son perturbaciones del espaciotiempo generadas por el movimiento de objetos muy masivos. Fueron observadas por primera vez en 2015; pero, de todas las ondas detectadas desde entonces, solo unas pocas han sido asociadas a estrellas de neutrones, ya que la gran mayoría han provenido de fusiones de agujeros negros. Las características de las ondas detectadas, como su frecuencia y la manera en que cambian con el tiempo, permiten deducir varias propiedades de los objetos que las generaron.

En lo que respecta a las estrellas de neutrones, los físicos intentan medir con precisión sus masas y sus radios, ya que eso ayudaría a deducir su «ecuación de estado»; es decir, la relación entre la presión y la densidad de la materia que las compone. A su vez, conocer la ecuación de estado facilitaría inferir qué tipo de materia se esconde en su interior.

En un trabajo reciente, una colaboración internacional ha analizado las ondas gravitacionales procedentes de dos colisiones de estrellas de neutrones, así como la luz emitida por una de ellas (en la segunda no se detectó ninguna emisión de luz), y ha combinado esos datos con estimaciones de las masas y los radios de dichos astros obtenidas a partir de púlsares (estrellas de neutrones en rápida rotación). «La gran ventaja es que hemos obtenido una imagen muy coherente», apunta Tim Dietrich, investigador de la Universidad de Potsdam y coautor del estudio, publicado en Science. «Hemos combinado todo lo que sabemos: los datos de ondas gravitacionales y de radiación electromagnética, así como la información sobre estrellas de neutrones aisladas y cálculos teóricos de física nuclear.»

La ecuación de estado derivada por los investigadores predice que una estrella de neutrones con una masa de 1,4 veces la de Sol debería tener un radio de 11,75 kilómetros, con una precisión de entre 0,81 y 0,86 kilómetros. «El tamaño de la estrella de neutrones depende directamente de cómo se comporta la materia en el núcleo, por lo que este resultado permite entender mejor las propiedades de dicha materia», añade Dietrich.

Por ejemplo, si los neutrones del núcleo de la estrella siguiesen intactos, empujarían hacia fuera las capas exteriores, lo que daría lugar a un radio ligeramente mayor. En cambio, si los neutrones se disolvieran en una «sopa» de quarks, el núcleo sería más blando y toda la estrella se comprimiría ligeramente, lo que redundaría en un radio más pequeño.

El nuevo resultado concuerda en líneas generales con los trabajos previos basados en ondas gravitacionales o que han usado otras formas de estimar el radio de las estrellas de neutrones. «El artículo hace un buen reanálisis de los estudios anteriores y no cambia la impresión obtenida en los últimos años de que estos astros deberían tener un radio de entre 11 y 13 kilómetros», explica Mark Alford, físico de la Universidad de Washington en San Luis.

Anna Watts, astrofísica de la Universidad de Ámsterdam, opina que esta clase de análisis combinados «marca claramente el camino a seguir», si bien añade que ninguna de las mediciones obtenidas hasta ahora es lo suficientemente precisa para determinar por completo la naturaleza de la materia en el interior de las estrellas de neutrones. En general, esta línea de investigación tendrá que esperar a que lleguen más datos en el futuro.

«Creo que se trata de un análisis muy bueno», valora James Lattimer, físico de la Universidad de Stony Brook que no participó en la investigación. No obstante, el experto advierte de que, al modelizar cuán bien encajan los datos con las diferentes ecuaciones de estado posibles, los investigadores pueden haber desechado erróneamente algunas de las ecuaciones que predicen estrellas de neutrones de mayor tamaño. «Creo que han subestimado su incertidumbre. Pero, en cierto sentido, es una cuestión opinable y que depende de la fe que cada uno deposite en los distintos métodos estadísticos.»

Además de arrojar luz sobre el interior de las estrellas de neutrones, el trabajo también ha obtenido una nueva estimación de la constante de Hubble, el parámetro que indica la velocidad a la que se expande el universo actual. Para ello, los investigadores han usado la amplitud de las ondas gravitacionales procedentes de una de las colisiones estudiadas a fin de estimar a qué distancia se produjo. Después, compararon esa medición de la distancia con la velocidad de la galaxia donde ocurrió el choque, la cual puede deducirse midiendo el desplazamiento al rojo de su espectro.

El valor de la constante de Hubble obtenido por los investigadores asciende a 66,2 kilómetros por segundo y por megapársec. Y aunque por ahora este tipo de mediciones no gozan de la precisión suficiente para discriminar entre los distintos valores de la constante de Hubble obtenidos por otros métodos, el nuevo resultado sí aporta otro dato más a la muy debatida pregunta de cuán rápido se está expandiendo el cosmos en la actualidad.

Los físicos esperan poder aplicar el mismo tipo de análisis a futuras colisiones de estrellas de neutrones. «Hemos dado este primer paso y esperamos continuarlo en el futuro», explica la coautora Sarah Antier, investigadora de la Universidad de París centrada en detectar emisiones de luz asociadas a ondas gravitacionales. «Mi objetivo es conectar diferentes observatorios y formar una red capaz de efectuar observaciones inmediatas» cada vez que los detectores de ondas gravitacionales encuentran una nueva señal, añade.

Los físicos aguardan con impaciencia la próxima generación de observatorios de ondas gravitacionales, que, como el Explorador Cósmico en EE.UU. y el Telescopio Einstein en Europa, se espera que entren en funcionamiento en la década de 2030. Estas instalaciones serán mucho más sensibles que las actuales, gracias a lo cual podrán detectar muchos más eventos y hacerlo con mayor precisión. Otras propuestas, como la Misión para el Cronometraje y Polarimetría Mejorada en Rayos X (eXTP) o el Observatorio Athena de Rayos X, también aspiran a obtener mediciones mucho más precisas de los púlsares.

En el poco tiempo transcurrido desde la primera detección de ondas gravitacionales, es tanto los que los científicos han aprendido que el futuro promete ampliar en gran medida nuestra comprensión del comportamiento de la materia bajo presiones extremas. «Los últimos cuatro años han sido extraordinarios», subraya Lattimer. «Esto muestra el potencial de los experimentos futuros, los cuales deberían proporcionarnos muchas más señales de ondas gravitacionales. A medida que vayamos sumando eventos, los resultados acabarán convergiendo.»

Clara Moskowitz

Referencia: «Multimessenger constraints on the neutron-star equation of state and the Hubble constant»; Tim Dietrich et al. en Science, vol. 370, págs. 1450-1453, 18 de diciembre de 2020.