¿Qué tan altas son las montañas en los púlsares?

Historia del espacio

¿Te imaginas que estás paseando sobre una estrella de neutrones, remanente de una estrella grande que hasta hace poco brillaba con todo su esplendor? La gravedad en su superficie es tan inmensamente fuerte que aplana por completo su relieve. Pero solo a primera vista. De repente te tropiezas con algo. Resulta ser una especie de montaña. Esta es diminuta en comparación con las montañas terrestres, sin embargo su masa es igual a la del Monte Everest. Su existencia representa un gran enigma para la ciencia. La montaña tiene un impacto importante en la evolución de la estrella de neutrones que apenas estamos empezando a comprender.

Faros cósmicos

La muerte de las estrellas más grandes es un acontecimiento especialmente espectacular, ya que explotan como supernovas y entonces brillan con una intensidad igual a galaxias enteras. Durante la explosión, el núcleo de estas enormes estrellas colapsa en una esfera de apenas 10 kilómetros de diámetro, llamada estrella de neutrones. Como su nombre lo indica, la mayor parte de su materia está compuesta por neutrones, ya que durante el colapso la mayoría de protones y electrones se fusionan y forman estas partículas eléctricamente neutras.

Comparación de tamaños de una estrella de neutrones y una enana blanca. El tamaño de la última es parecido a la de la Tierra. Fuente: Wikipedia.

Recientemente, un grupo de astrónomos chinos propuso que la superficie de las estrellas de neutrones no es completamente lisa, como se pensaba hasta ahora. Según su hipótesis, en su superficie podrían existir “montañas”, aunque muy distintas a las de nuestro planeta.

A pesar de su pequeño tamaño, la masa de una estrella de neutrones no es nada desdeñable: debe ser al menos 1,4 veces mayor a la del Sol. Esto implica que la materia en su superficie es extremadamente densa. ¡Un volumen de esta materia del tamaño de una cajita de cerillos pesaría unas 3 mil millones de toneladas! La misma cantidad de materia terrestre cabría en un cubo con lados de 800 metros de largo.

Las estrellas de neutrones conservan gran parte del momento angular del núcleo estelar original, lo que significa que durante el colapso giran cada vez más rápido. La estrella de neutrones más rápida conocida gira sobre su eje 716 veces por segundo.

La rápida rotación genera campos magnéticos y eléctricos muy intensos en su superficie, los cuales aceleran las pocas partículas cargadas que allí quedan. Estas emiten radiación electromagnética que escapa al espacio en forma de dos haces alineados con los polos magnéticos de la estrella. Para que podamos detectar esta radiación, uno de los haces debe estar apuntando directamente hacia la Tierra. Debido a que el eje magnético de la estrella de neutrones generalmente no coincide con su eje de rotación, su orientación cambia a lo largo de cada giro. Como resultado, el observador en la Tierra percibe que la estrella pulsa, y la frecuencia de estos pulsos coincide con la frecuencia de rotación. A las estrellas de neutrones cuyos pulsos se han detectado, se las llama púlsares.

Imágen artística de un púlsar. Fuente: Wikipedia.

Sin embargo, los púlsares pierden energía con el tiempo, por lo que su velocidad de rotación disminuye gradualmente. Los astrofísicos han calculado que, una vez que la rotación se vuelve lo suficientemente lenta, los haces desaparecen y el púlsar deja de emitir. Este límite teórico de rotación se conoce como el umbral de la muerte. Se estima que esto ocurre entre 10 y 100 millones de años después de la formación de la estrella de neutrones. De todas las estrellas de neutrones formadas en los 13.600 millones de años de historia del universo, hoy en día solo un porciento sigue funcionando como púlsar.

Algunos se niegan a apagarse

Dos estrellas de neutrones, PSR J0250+5854 y PSR J2144-3933, han desconcertado a los astrónomos durante años. Ambos púlsares deberían haberse apagado hace mucho, ya que rotan muy lentamente: con periodos de 23,5 y 8,5 segundos respectivamente. El primero es el púlsar más lento conocido, y el segundo, con una temperatura superficial de sólo 42.000 K, es la estrella de neutrones más fría registrada. El hecho de que estos cuerpos celestes aún emiten poderosos haces de radiación electromagnética no puede explicarse con las teorías actuales.

Recientemente, un grupo de astrónomos de la Universidad de Pekín decidió buscar una explicación a por qué estos púlsares siguen activos. Presentaron un modelo matemático que sugiere que la superficie de las estrellas de neutrones no es completamente lisa, sino que podría presentar relieves montañosos.

¿Indicio de un nuevo tipo de materia?

Considerando que el diámetro de una estrella de neutrones es apenas un poco mayor que la altura del Monte Everest, no es de extrañar que las montañas en su superficie no sean gigantescas. La poderosa gravedad que reina en su superficie, hasta 100 mil millones de veces mayor que la de la Tierra, impide que se eleven grandes estructuras. El modelo de los científicos chinos predice la existencia de montañas que sobresalen apenas un centímetro por encima de la superficie, algo comparable al tamaño de una uña humana.

Estas pequeñas elevaciones podrían intensificar localmente los campos eléctricos, lo que permitiría acelerar partículas cargadas y generar haces radiación electromagnética.

Pero existe un problema: para validar su modelo, los astrónomos deben justificar la posibilidad de que tales montañas puedan existir en la superficie de estrellas de neutrones. Los científicos chinos proponen que estas montañas estarían compuestas por un nuevo tipo de materia extraña (strange matter), que no estaría compuesta por protones y neutrones, sino por agrupaciones de quarks “up”, “down” y “strange” (extraños) unidos por la fuerza nuclear fuerte que les permitiría resistir incluso a la aplastante gravedad de una estrella de neutrones.

Animación de un púlsar. Fuente: Wikipedia.

El problema es que, por ahora, no tenemos evidencia experimental de existencia de esta materia extraña.

Las montañas en las estrellas de neutrones podrían ayudar a resolver otro misterio: su formación y desaparición podrían estar relacionadas con los saltos repentinos en la velocidad de rotación observados en estos objetos y con terremotos estelares. Tal vez estas minúsculas montañas en los púlsares eventualmente nos revelen que es lo que realmente ocurre en el interior de las estrellas de neutrones.

Lecturas complementarias para los más curiosos

1. Sebastien Guillot et al 2019, Hubble Space Telescope Nondetection of PSR J2144–3933: The Coldest Known Neutron Star, ApJ 874 175DOI 10.3847/1538-4357/ab0f38.
2. C H Agar et al. A broad-band radio study of PSR J0250+5854: the slowest spinning radio pulsar known, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Issue 1, November 2021, Pages 1102–1114, https://doi.org/10.1093/mnras/stab2496
3. C H Agar, P Weltevrede, L Bondonneau, J-M Grießmeier, J W T Hessels, W J Huang, A Karastergiou, M J Keith, V I Kondratiev, J Künsemöller, D Li, B Peng, C Sobey, B W Stappers, C M Tan, G Theureau, H G Wang, C M Zhang, B Cecconi, J N Girard, A Loh, P Zarka, A broad-band radio study of PSR J0250+5854: the slowest spinning radio pulsar known, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Issue 1, November 2021, Pages 1102–1114, https://doi.org/10.1093/mnras/stab2496
4. Zi-Hao Xu, Wei-Yang Wang, Ren-Xin Xu, Pulsar Sparking: What if mountains on the surface?, Pulsar Sparking: What if mountains on the surface?
5. Neutron star, Wikipedia.
6. Pulsar, Wikipedia.