Desde que se descubrieron las estrellas de neutrones, los investigadores han estado utilizando sus propiedades inusuales para explorar nuestro universo. Los restos superdensos de las explosiones estelares, las estrellas de neutrones, acumulan una masa mayor que la del Sol en una bola del tamaño de San Francisco. Una sola taza de esta materia estelar pesaría tanto como el Monte Everest.
Estos extraños cuerpos celestes podrían alertarnos sobre perturbaciones distantes en el tejido del espacio-tiempo, enseñarnos sobre la formación de elementos y descubrir los secretos de cómo funcionan la gravedad y la física de partículas en algunas de las condiciones más extremas del universo.
“Están en el centro de muchas preguntas abiertas en astronomía y astrofísica”, dice la astrofísica Vanessa Graber del Instituto de Ciencias Espaciales de Barcelona.
Pero para interpretar con precisión algunas de las señales de las estrellas de neutrones, los investigadores primero deben entender qué sucede dentro de ellas. Tienen sus corazonadas, pero experimentar directamente con una estrella de neutrones está fuera de discusión. Entonces, los científicos necesitan otra forma de probar sus teorías. El comportamiento de la materia en un objeto tan superdenso es tan complicado que incluso las simulaciones por computadora no están a la altura. Pero los investigadores creen que pueden haber encontrado una solución: un análogo terrenal.
Aunque las estrellas de neutrones jóvenes pueden tener temperaturas de millones de grados en su interior, según una medida energética importante, los neutrones se consideran «fríos». Los físicos creen que es una característica que pueden aprovechar para estudiar el funcionamiento interno de las estrellas de neutrones. En lugar de mirar al cielo, los investigadores observan nubes de átomos ultrafríos creados en laboratorios aquí en la Tierra. Y eso podría ayudarlos finalmente a responder algunas preguntas de larga data sobre estos objetos enigmáticos.
Rarezas espaciales
La existencia de estrellas de neutrones se propuso por primera vez en 1934, dos años después del descubrimiento del propio neutrón, cuando los astrónomos Walter Baade y Fritz Zwicky se preguntaron si podría quedar un cuerpo celeste hecho completamente de neutrones después de la explosión de una supernova. Aunque no acertaron en todos los detalles, su idea general ahora es ampliamente aceptada.
Las estrellas se alimentan fusionando los núcleos de los átomos más ligeros con los de los átomos más pesados. Pero cuando las estrellas se quedan sin esos átomos más livianos, la fusión nuclear se detiene y ya no hay una presión externa para luchar contra la fuerza de gravedad interna. El núcleo colapsa y la capa exterior de la estrella corre hacia adentro. Cuando esta capa golpea el núcleo denso, rebota y explota hacia afuera, produciendo una supernova. El núcleo denso que queda después es una estrella de neutrones.
No fue hasta la década de 1960 que finalmente se detectaron las hipotéticas estrellas de neutrones de Zwicky y Baade. La radioastrónoma Jocelyn Bell Burnell notó una extraña señal de onda de radio pulsada regularmente desde el espacio mientras trabajaba como estudiante de posgrado en la Universidad de Cambridge. Estaba detectando algo que nunca antes se había visto: un tipo especial de estrella de neutrones llamada púlsar, que lanza haces de radiación a intervalos regulares mientras gira, como un faro. (Su asesor, junto con el director del observatorio, pero no Bell Burnell, recibieron más tarde el Premio Nobel por el descubrimiento).
Desde entonces, se han detectado miles de estrellas de neutrones. Como algunos de los objetos más densos y de mayor presión del universo, las estrellas de neutrones podrían ayudarnos a aprender sobre lo que le sucede a la materia en densidades extremadamente altas. Comprender su estructura y el comportamiento de la materia neutrónica que los compone es de suma importancia para los físicos.
Los científicos ya saben que los neutrones, protones y otras partículas subatómicas que componen una estrella de neutrones se organizan de manera diferente según el lugar de la estrella en el que se encuentren. En ciertas secciones, se empaquetan rígidamente como moléculas de agua en un bloque de hielo. En otros, fluyen y se arremolinan como un fluido sin fricción. Pero exactamente dónde ocurre la transición y cómo se comportan las diferentes fases de la materia, los físicos no están seguros.
Una estrella superdensa nacida de una bola de fuego nuclear parece, a primera vista, tener muy poco en común con una nube diluida de partículas ultrafrías. Pero pueden compartir al menos una característica útil: ambos están por debajo de un umbral conocido como la temperatura de Fermi que depende y se calcula en función de la materia de la que está hecho cada sistema. Un sistema que está muy por encima de esta temperatura se comportará en gran medida de acuerdo con las leyes de la física clásica; si está muy por debajo, su comportamiento estará regido por la mecánica cuántica. Ciertos gases ultrafríos y material de estrellas de neutrones pueden estar muy por debajo de sus temperaturas de Fermi y, en consecuencia, pueden actuar de manera similar, dice Christopher Pethick, físico teórico del Instituto Niels Bohr en Copenhague y coautor de una descripción general temprana de las estrellas de neutrones en el Anual de 1975. Revisión de la ciencia nuclearmi.
La materia que está por debajo de su temperatura de Fermi puede obedecer leyes notablemente universales. Esta universalidad significa que, si bien no tenemos fácil acceso a la materia de estrellas de neutrones de varios millones de grados, podemos aprender algo de su comportamiento al experimentar con gases ultrafríos que se pueden crear y manipular en cámaras de vacío de laboratorio en la Tierra, dice el astrofísico teórico James Lattimer de la Universidad de Stony Brook en Nueva York, autor de un resumen de la ciencia de la materia nuclear en la Revisión anual de ciencia nuclear y de partículas de 2012.
De particular interés para Lattimer es un estado teórico llamado gas unitario. Un gas es unitario cuando la esfera de influencia de cada una de sus partículas se vuelve infinita, lo que significa que se influirían entre sí sin importar la distancia entre ellas. Esto es imposible de tener en la realidad, pero las nubes de átomos ultrafríos pueden acercarse, al igual que la materia dentro de las estrellas de neutrones. «Es similar a un gas unitario», dice Lattimer, «pero no es un gas unitario perfecto».