Las estrellas de neutrones son los restos de estrellas masivas después de que se convierten en supernova; mientras que las capas externas de la estrella explotan hacia afuera creando fuegos artificiales literalmente a escala cósmica, el núcleo de la estrella colapsa, volviéndose increíblemente comprimido. Si el núcleo tiene suficiente masa se convertirá en un agujero negro, pero si es tímido de ese límite se convertirá en una bola ultra densa compuesta principalmente de neutrones.
Las estadísticas de las estrellas de neutrones son aleccionadoras. Tienen una masa de hasta más del doble del Sol, pero la densidad de un núcleo atómico: Más de 100 billones de gramos por centímetro cúbico. Es difícil de entender, pero piénsalo de esta manera: si comprimieras cada auto en los Estados Unidos en una estrella de neutrones, obtendrías un cubo de 1 centímetro de lado. Del tamaño de un terrón de azúcar, o un dado de seis lados. Toda la humanidad comprimida en tal estado tendría menos del doble de esa anchura.
Las estrellas de neutrones tienen una gravedad superficial cientos de miles de millones de veces la de la Tierra, y campos magnéticos aún más fuertes. Una estrella de neutrones a media galaxia de nosotros tuvo un evento sísmico que nos afectó físicamente aquí en la Tierra, a 50.000 años luz de distancia.
Todo sobre las estrellas de neutrones es aterrador. Pero a pesar de todo, todavía no estamos seguros de cuán grandes son.
Una estrella de neutrones en rotación con un poderoso campo magnético azota partículas subatómicas a su alrededor. Crédito de la obra: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Universidad Estatal de Sonoma
Quiero decir, tenemos una idea aproximada, pero el número exacto es difícil de determinar. Son demasiado pequeñas para ver directamente, así que tenemos que inferir su tamaño a partir de otras observaciones, y están plagadas de incertidumbres. Su tamaño también depende de su masa. Pero utilizando observaciones de rayos X y otras emisiones de estrellas de neutrones, los astrónomos han descubierto que tienen un diámetro de 20-30 kilómetros. ¡Eso es pequeño, para una masa tan grande! Pero también es un rango irritantemente grande. ¿Podemos hacerlo mejor?
¡Sí! Un grupo de científicos ha abordado el problema de una manera diferente, y han sido capaces de reducir el tamaño de estas bestias feroces pero pequeñas: Encontraron que, para una estrella de neutrones con una masa de 1,4 veces el Sol (aproximadamente la media para tales cosas), tendrá un diámetro de 22,0 kilómetros (con una incertidumbre de +0,9/-0,6 km). Encuentran que su cálculo es un factor de dos más preciso que cualquier otro hecho antes.
Eso es small pequeño. Muy pequeño. Consideraría 22 km un corto paseo en bicicleta, aunque para ser justos hacerlo en una estrella de neutrones sería difícil.
Una estrella de neutrones es increíblemente pequeña y densa, empaquetando la masa del Sol en una bola de pocos kilómetros de diámetro. Esta obra de arte representa uno comparado con Manhattan. Crédito: Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA
Entonces, ¿cómo consiguieron este número? La física que emplearon es en realidad diabólicamente complicada, pero lo que hicieron en efecto fue resolver la ecuación de estado de una estrella de neutrones, las ecuaciones físicas que relacionan las características de un objeto como la presión, el volumen y la temperatura, para obtener las condiciones de un modelo de estrella de neutrones con la masa fija en 1,4 veces la del Sol.
Luego usaron esos resultados y los compararon con las observaciones de un evento de 2017: Una fusión de dos estrellas de neutrones que resultó en una explosión colosal llamada kilonova. Este evento, llamado GW170817, fue un gran momento decisivo para la astronomía, porque las estrellas de neutrones en colisión emitieron poderosas ondas gravitacionales, literalmente sacudiendo el tejido del Universo. Esta fue nuestra primera alerta al evento, pero luego una gran fracción de telescopios en y por encima de la Tierra apuntaron a la parte del cielo donde se encontró la fusión, y vieron la explosión en sí, la kilonova. Fue la primera vez que se vio un evento emitiendo energía electromagnética (es decir, luz) que se vio por primera vez en ondas gravitacionales.
Obra de arte que representa el momento de la colisión entre dos estrellas de neutrones. La explosión resultante es quite bastante grande. Crédito: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
También puso muchas restricciones en las estrellas de neutrones que chocaron. Por ejemplo, después de que se fusionaron, emitieron luz de una manera específica, y resulta que eso era inconsistente con que el remanente fusionado tuviera suficiente masa para colapsar directamente en un agujero negro. Eso sucede alrededor de 2,4 veces la masa del Sol, así que sabemos que las dos estrellas juntas tenían menos masa que eso. Por el contrario, la luz era inconsistente con el remanente de ser una estrella de neutrones muy por debajo de ese límite, también. Parece que una estrella de neutrones «hipermasiva» se formó cerca de ese límite, duró muy poco tiempo y luego colapsó en un agujero negro.
Todos estos datos fueron alimento para los científicos que calcularon el tamaño de la estrella de neutrones. Al comparar sus modelos con los datos de GW170817, pudieron reducir en gran medida el rango de tamaños que tenía sentido, concentrándose en el diámetro de 22 km.
Este tamaño tiene implicaciones interesantes. Por ejemplo, una cosa que los científicos de ondas gravitacionales esperan ver es la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones. Esto definitivamente será detectable, pero la pregunta es si emitirá alguna luz que los telescopios más tradicionales puedan ver? Eso sucede cuando el material de la estrella de neutrones es expulsado durante la fusión, generando mucha luz.
Los científicos de este nuevo trabajo analizaron los números, y descubrieron que para una estrella de neutrones de 1,4 masas solares y 22 km de diámetro, ¡cualquier agujero negro más grande que aproximadamente 3,4 veces la masa del Sol no expulsaría ningún material! Es una masa muy baja para un agujero negro, y es muy poco probable que veamos una masa tan baja, especialmente una con una estrella de neutrones que pueda comer. Así que predicen que este evento solo se verá en ondas gravitacionales y no en luz. Por otro lado, eso es solo para agujeros negros que no giran, y en realidad la mayoría tendrá un giro rápido; no está claro qué pasaría allí, pero imagino que mucha gente volverá a ejecutar sus modelos para ver qué pueden predecir.
Tener el tamaño de una estrella de neutrones significa ser capaz de comprender mejor lo que sucede a medida que giran, ya que sus campos magnéticos ridículamente poderosos afectan al material que los rodea, cómo acumulan material nuevo y qué sucede cerca del límite de masa entre una estrella de neutrones y un agujero negro. Aún mejor, a medida que la gente del observatorio de ondas gravitacionales LIGO/Virgo afina su equipo, esperan que su sensibilidad aumente, lo que permite mejores observaciones de fusiones de estrellas de neutrones, que luego se pueden usar para ajustar aún más las restricciones de tamaño.
He estado fascinado por las estrellas de neutrones toda mi vida, y para ser honesto, esa es la actitud correcta. Son restos de supernovas; chocan y producen oro, platino, bario y estroncio; son la fuente de energía detrás de los púlsares; pueden generar explosiones de energía que aplastan la mente; y son los objetos más densos que todavía se pueden considerar en el Universo (el objeto físico dentro del horizonte de eventos de un agujero negro está siempre fuera de nuestro alcance). Quiero decir, vamos. Son increíbles.
Y eso sobre los tamaños.