“Cuando las estrellas terminan su danza”

Las estrellas de neutrones

El Universo es la historia más grande jamás contada, es la historia de nosotros, los que estuvieron antes y los que están por venir; una historia llena de aparente magia, belleza incomprendida y poder inconmensurable; siendo este simplemente el cuento más viejo y perfecto que puede ser contado.

Sin embargo, nada es para siempre, ni aún el más fuerte se resiste al poder de la existencia misma, al ciclo de las cosas, vivir y morir. No obstante, para una estrella la muerte no es  más que la forma más hermosa en la que esta puede dejar su huella en el Universo; morir es alcanzar un grado superior, el de danzante del universo, guerreros a los que se les ha encomendado grandes secretos, ya que el universo sabe que no pelean con carne ni sangre, si no con la preciada danza que desempeñan en la pista de baile llamada firmamento.

Todas las estrellas siguen un mismo principio: mientras más poderoso es el astro, más fuerte caerá. Aunque es simple este pequeño principio, mientras más nos adentramos en los misterios del cosmos, veremos que esto al parecer insignificante, tiene mucho que ofrecerle al hombre.

Subrahmanyan Chandrasekhar fue aquel primer hombre en arrancar al universo el primero de uno de los tres pedazos que componen a tan preciado principio. El universo lo guardaba con sumo recelo, por ello se lo encomendó al más pequeño de los titanes que le sirven, la Enana Blanca.

Chandrasekhar no sabía el tesoro que este danzante aguardaba, es más, no sabía de la existencia misma de los danzantes en el universo, ya que el se había fijado en un problema un poco menor: ¿Porqué y cómo muere una estrella?. Tratar de encontrar la respuesta a esta incógnita le hizo encontrase con la Enana Blanca, hermoso danzante que engatusa los ojos de aquel que logra mirarlo.

 La Enana Blanca es la primera de las tres formas en las que una estrella puede terminar su danza; las Enanas blancas son esferas del tamaño de la Tierra, con una temperatura superficial tan alta, que su luz será blanca (por ello su nombre tan creativo); lo que hace especial a este tipo de remanente de estrella es que consiguen detener su colapso gravitacional gracias a los llamados Electrones degenerados, los cuales se caracterizan por poder alcanzar velocidades cercanas a las de la luz gracias a la fuerza gravitacional que sufren por la fuerza de gravedad; lo interesante es que si combinamos estos dos fenómenos: la fuerza de presión de los electrones degenerados y la fuerza gravitacional, la Enana Blanca es capaz de mantener un equilibrio supremo.

Chandrasekhar descubrió esto por medio del llamado Límite de Chandrasekhar, el cual  estipulael limite del tamaño de una estrella para que se detenga su colapso gravitacional y se convierta en una Enana Blanca (Para más información leer el artículo previo a este https://colloquio.com.mx/2021/02/14/cuando-las-estrellas-terminan-su-danza/).

La pelea fue difícil, pero finalmente Chandrasekhar logró dominar a este danzante, sin embargo, para estos guerreros llamados físicos la guerra contra el ejército de danzantes apenas comenzaba; sus enemigos no dudaron en dar un fuerte contraataque que los heriría en el calcañar: ¿Qué sucede con las estrellas que exceden el límite de Chandrasekhar?… Así, los valientes físicos tuvieron que comenzar la batalla contra uno de los danzantes más poderosos que reina por el cosmos: la Estrellas de neutrones.

Tras haber festejado la victoria sobre las Enanas Blancas un nuevo problema se avecinaba en el horizonte; existía un numeroso grupo de estrellas que superaban el Límite de Chandrasekhar, tanto en la masa de la estrella original (con un máximo de 6-8 masas solares) como en la masa del prospecto a Enana Blanca (teniendo un máximo de alrededor de 1.5 masas solares).

Lo que ocurre con aquellas estrellas que exceden el Límite de Chandrasekhar es que la fuerza de presión generada por las fusiones nucleares ya no es suficiente para detener el colapso gravitacional, ya que mientras más va avanzando su decadencia su combustible se va agotando, por medio de la fusión de los elementos que componen al astro, iniciando primeramente con helio y llegando hasta el hierro (siendo este el elemento más pesado que una estrella puede fusionar); generando una capa de elementos donde los más cercanos al núcleo son los más pesados (como se muestra la imagen No. 1).

Esto representaba un verdadero golpe para la astrofísica de aquellos tiempos, ya que en estas estrellas los átomos de hierro comienzan a generar un cúmulo con tal densidad que el gas de electrones degenerados (un fenómeno físico que presenta como ciertos electrones llamados degenerados obtienen su velocidad gracias a la presión que se genera sobre ellos) no puede evitar una implosión gravitacional; para los físicos esto era algo inconcebible ya que esto violaba el Principio de exclusividad de Pauli, que a grandes rasgos enuncia que la materia no puede contraerse indefinidamente ya que dos electrones no pueden ocupar el mismo lugar en el espacio al mismo tiempo.

Sin embargo, como suele suceder en estas batallas, llegó al rescate un nuevo guerrero con un as bajo la manga, que le permitiría abrir paso a los físicos postreros a él; el nombre de este audaz guerrero fue Lev Landáu. En 1932 Landáu propuso que en el proceso de la evolución de una estrella, la densidad es tal que los electrones se fusionan con los protones, formando un único y gigantesco núcleo. La parte trascendental de esta afirmación realizada por Landáu es que esto vendría siendo la primera predicción teórica de las después descubiertos neutrones; sin embargo a falta de fundamento experimental las ideas de Landáu no fueron tomadas muy enserio, hasta que meses después el físico James Chadwick descubrió el ya reconocido neutrón lo que dio fundamento experimental a las propuestas de Landáu y  las postreras ideas del funcionamiento del mecanismo de las Estrellas de Neutrones.

El concepto de Estrella de neutrones como lo conceptualizamos ahora fue propuesto por los astrofísicos Walter Baade y Fritz Zwicky e 1934. Baade y Zwicky tomaron como punto de partida la propuesta de Landáu y la complementaron por medio del uso del concepto de Supernova.

Cuando los protones y electrones dentro del núcleo se fusionan entre ellos formando neutrones, se libera una cantidad de energía tal que las capas exteriores de la estrella en proceso de morir son lanzadas violentamente al espacio, causando así una magnífica explosión de materia y polvo cósmico. Existen dos tipos de Supernovas: Tipo I y Tipo II.

La mayor diferencia entre estos dos tipos de Supernova es en cuán destructiva es con su estrella original; las de tipo I generalmente son más violentas y por lo tanto no dejan algún núcleo, por el lado contrario las de tipo II se caracterizan por dejar aquellos núcleos que permitirán la formación de las Estrellas de neutrones, sin embargo algunas clasificaciones del tipo I si permiten la formación de Estrellas de neutrones.

Lo interesante de la formación de Estrellas de neutrones, es que de manera semejante a la de las Enanas Blancas, las Estrellas de neutrones se ven en la necesidad de poseer algo que les permita detener su colapso gravitacional. Como hemos visto hasta este momento, la parte diferencial de las Estrellas de neutrones es que estas tienen como proceso fundamental la formación de neutrones por medio de la fusión entre electrones y protones; por ello para una Estrella de neutrones su único recurso físico para detener su colapso gravitacional son los neutrones.

Sin embargo, los neutrones por si mismos no pueden hacer nada para detener el colapso gravitacional, son un tipo especial de neutrones los que permiten vencer a la fuerza gravitacional de una estrella: los neutrones degenerados. Lo que hace especial a estos neutrones es que de igual manera como los electrones degenerados, estos neutrones adquieren velocidades cercanas a la de la luz gracias al Principio de exclusividad de Pauli, ya que curiosamente los neutrones tampoco pueden poseer un mismo lugar en el espacio al mismo tiempo.

Esto lo podemos entender mejor con un experimento mental: Imagine usted que tiene una caja con muchas bolitas  de acero, si usted comienza a reducir el espacio entre las paredes de la caja las bolitas comenzarán a moverse ya que buscarán ocupar el mismo volumen dentro de la caja y respetando el Principio de exclusividad de Pauli. Si adaptamos esta idea a una estrella podemos entender que las bolitas son los neutrones y las paredes de la caja es la estrella contrayéndose.

Estos neutrones degenerados por su naturaleza generan una presión interna que permite contrarrestar los efectos de la fuerza  gravitacional. Este fenómeno lo descubrieron J. Robert Oppenheimer, George M. Volkoff y Edward C. Tolman; tomando como punto de partida el trabajo de Chandrasekhar y con la aplicación de los efectos de la relatividad especial, pudieron determinar las diferentes configuraciones de equilibrio existentes para las Estrellas de neutrones . Lo que ellos descubrieron no era demasiado diferente a lo que Chandrasekhar había descubierto anteriormente, por ello de igual forma se dieron cuenta que había un límite de tamaño para las Estrellas de neutrones, siendo un poco menor al de una masa solar ya que en el caso contrario la presión producida por los neutrones degenerados no podría detener el colapso gravitacional.

Hasta este punto todo lo que se conocía acerca de las Estrellas de neutrones surgía de las conclusiones teóricas, ya que no se tenía ninguna prueba  experimental de siquiera su existencia misma.

No obstante, los físicos de aquella época no sabían que la existencia de los neutrones degenerados y sus efectos en las configuraciones de equilibrio serían los que darían paso a el descubrimiento que permitiría confirmar la existencia de las Estrellas de neutrones: Los Pulsares.

En el año de 1967 la estudiante de doctorado Jocelyn Bell, siendo supervisada por el astrónomo Anthony Hewish, descubrió una serie de pulsos de ondas de radio que provenían de un punto de origen puntual y con períodos muy cortos de emisión, a los cuales bautizaron como Pulsares. Descubrimiento por el cual años después Hewish recibiría el Premio Nobel de física gracias a sus aportes para el descubrimiento de las Estrellas de neutrones.

Al inicio se creyeron que eran mensajes o signos de vida extraterrestre, sin embargo las observaciones indicaron que se el emisor se trataba de un cuerpo que rotaba a altas velocidades, lo cuál con el tiempo pudo relacionarse con el mecanismo por el que funci
ona una Estrella de neutrones.

La estructura de una Estrella de neutrones es en cierta forma sencilla (Figura 1 ), en su corteza exterior podemos apreciar como es que se conforma de núcleos de elementos pesados, coexistiendo en una red de electrones degenerados (los mismos que encontramos en las Enanas blancas); la parte interesante de una Estrella de neutrones en cuanto a su estructura la encontramos en su corteza interior, en esta los núcleos pesados han alcanzado un límite para capturar neutrones, a esto se le conoce como “goteo de neutrones”. Los neutrones que han sido “goteados”, al ser degenerados comienzan a formar un tipo de fluido que permite la conducción del calor y el movimiento del mismo con casi ninguna resistencia, a estos fluidos se les llama “Superfluidos”.





Imagen 1 ([[Interior de la estrella de neutrones]], 2005)

En la penúltima capa de las Estrellas de neutrones se puede observar el conjunto de los Superfluidos de neutrones, la red de núcleos pesadosy un gas de electrones degenerados. Es importante tener presente esto, ya que en una última capa se aprecia que la densidad es tan alta que los núcleos se disuelven en protones y neutrones formando así un superfluido un poco diferente… un superfluido cuántico. Este superfluido cuántico posee concentraciones más pequeñas de protones con una capacidad suprema para conducir electricidad (los llamados superconductores), pudiendo así sostener corrientes eléctricas y campos magnéticos.

Cuando una estrella colapsa, la Estrella de neutrones resultante conserva el momento angular (La cantidad de movimiento de rotación de un objeto) de su estrella original; si a esto le sumamos que mientras mayor presión se le somete al núcleo mayor es la velocidad que este adquiere, por ello una Estrella de neutrones puede alcanzar velocidades muy altas.

Mientras más se contrae una Estrella de neutrones su campo magnético se va intensificando, esto acelera a los electrones haciéndolos fluir por los polos magnéticos de la estrella; esta aceleración los hace alcanzar velocidades cercanas a las de la luz, produciendo así la llamada Radiación sincrotón , que nosotros recibimos principalmente en forma de ondas de radio.

Para nosotros que observamos desde la Tierra, esta radiación la percibimos como la luz de una linterna: constante y en una sola dirección (Esto debido a su campo magnético); por ello solo se pueden detectar los Pulsares que emiten hacia nuestra dirección.

De acuerdo con los cálculos más recientes las estrellas de entre 6 y 8 masas solares son aquellas que terminan explotando en supernovas, después de tan colosal graduación de la estrella para volverse danzante, en el lugar de la hazaña queda una llamada nebulosa, y en lo más profundo de esta una Estrella de neutrones, por medio del proceso ya mencionado en párrafos anteriores.

Sin embargo es de vital importancia remarcar que este danzante… la Estrella de neutrones, es de verdad elegante, tiene clase, porte y sabe que es danzar de verdad. Es un bailarín que gusta de cubrirse de luces y sombras, su grandeza se manifiesta en los colores y lo que a su corazón rodea, ya que a este, lo guarda como su más preciado tesoro.

Fue este pequeño detalle el que lograron captar Baade y Zwicky, ya que se atrevieron a predecir que a través de ese velo tan majestuoso que es la nebulosa se podría encontrar a la mismísima Estrella de neutrones… pasaron los años y se descubrió todo lo que al lector ya se le ha revelado, pero aún la protagonista no dejaba ver su rostro… no fue sino hasta 1969 que los radio astrónomos lograron detectar un Pulsar a través de la nebulosa del cangrejo, el cual se encontraba justo en el centro… confirmando así años de predicciones teóricas.

Una vez más los valerosos físicos lograron arrebatarle los secretos de la muerte de las estrellas a sus feroces danzantes; hasta el momento se han conquistado más de 300 Estrellas de neutrones, con las cuales se han podido confirmar todas las características ya mencionadas.

Sin embargo, a causa del experiencia que ya se tenía en este mundo de los danzantes, era obligatorio preguntarse… ¿Qué pasa con las estrellas que superan este límite y no pueden detener su colapso  gravitacional? ¿Verdad que los físicos no se están quietos?… pero como dicen por ahí la curiosidad mató al gato… o no será que más bien lo reviva de su eterna ignorancia hacia los misterios del cosmos. No lo sabemos, sin embargo lo que si sabemos es que el siguiente danzante que vendría no sería nada fácil de domar, hasta podría decirse que nos ha domado a nosotros… porque poderoso gigante es él, de verdad que lo es.

Pero esto es… para otra historia.

  Ismael Alejandro Díaz Tiburcio

 

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FUENTES BIBLIOGRÁFICAS

Hacyan, S. (2012). Los hoyos negros y la curvatura del espacio tiempo (La Ciencia Para Todos no 50) (1.a ed.). Fondo de Cultura Económica.

Rodriguez, L. F. (2012). Un Universo En Expansion (4.a ed.). Fondo de Cultura Económica.

Asimov, I., & Larrucea, P. M. (2012). El Universo (1.a ed.). Alianza.

Salas, P., & Solís, M.A.. (2006). Estrellas de neutrones. Revista mexicana de física E52(1), 37-46. Recuperado en 26 de mayo de 2021, de http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1870-35422006000100006&lng=es&tlng=es.

BoletÃn Radio@stronÃ3mico – IAR. (2012, junio). Boletín de Divulgación Científica y Tecnológica del IAR, 37. http://tux.iar.unlp.edu.ar/boletin/bol-jun12.htm#top

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