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CIENCIA. Estrellas de neutrones y pulsars: creación y propiedades


 ¿Qué sucede cuando las estrellas gigantes explotan? Crean supernovas, que son algunos de los eventos más dinámicos del universo. Estas conflagraciones estelares crean explosiones tan intensas que la luz que emiten puede eclipsar galaxias enteras. Sin embargo, también crean algo mucho más extraño del resto: las estrellas de neutrones.


CREACIÓN DE UNA ESTRELLA DE NEUTRONES
Una estrella de neutrones es una bola de neutrones realmente densa y compacta. Entonces, ¿cómo pasa una estrella masiva de ser un objeto brillante a una estrella de neutrones temblorosa, altamente magnética y densa? Todo está en cómo las estrellas viven sus vidas.

Las estrellas pasan la mayor parte de su vida en lo que se conoce como la secuencia principal. La secuencia principal comienza cuando la estrella “enciende” la fusión nuclear en su núcleo. Termina una vez que la estrella ha agotado el hidrógeno de su núcleo y comienza a fusionar elementos más pesados.

Una vez que una estrella abandona la secuencia principal, seguirá un camino particular que está ordenado previamente por su masa. La masa es la cantidad de material que contiene la estrella. Las estrellas que tienen más de ocho masas solares (una masa solar es equivalente a la masa de nuestro Sol) dejarán la secuencia principal y pasarán por varias fases a medida que continúan fusionando elementos más pesados hasta el hierro.


Esta imagen de la nebulosa del cangrejo representa la emisión de rayos X del púlsar central de la región. Crédito de imagen: NASA

Una vez que la fusión cesa en el núcleo de una estrella, comienza a contraerse o caer sobre sí misma, debido a la inmensa gravedad de las capas externas. La parte exterior de la estrella "cae" sobre el núcleo y rebota para crear una explosión masiva llamada supernova Tipo II. Dependiendo de la masa del núcleo mismo, se convertirá en una estrella de neutrones o en un agujero negro.

Si la masa del núcleo está entre 1.4 y 3.0 masas solares, el núcleo solo se convertirá en una estrella de neutrones. Los protones en el núcleo chocan con electrones de muy alta energía y liberan neutrones. El núcleo se endurece y envía ondas de choque a través del material que cae sobre él. El material exterior de la estrella se expulsa al medio circundante creando la supernova. Si el material del núcleo sobrante es mayor que tres masas solares, existe una buena posibilidad de que continúe comprimiéndose hasta que forme un agujero negro.

"La colisión de estrellas genera uno de los campos electromagnéticos más intensos del universo.

PROPIEDADES DE UNA ESTRELLA DE NEUTRONES
Las estrellas de neutrones son objetos difíciles de estudiar y comprender. Emiten luz a través de una gran parte del espectro electromagnético, las diversas longitudes de onda de la luz, y parecen variar bastante de una estrella a otra. Sin embargo, el hecho mismo de que cada estrella de neutrones parezca exhibir propiedades diferentes ayuda a los astrónomos a comprender qué los impulsa.

Quizás la mayor barrera para estudiar las estrellas de neutrones es que son increíblemente densas, tan densas que una lata de 14 onzas de material de estrellas de neutrones tendría tanta masa como nuestra Luna. Los astrónomos no tienen forma de modelar ese tipo de densidad aquí en la Tierra. Por lo tanto, es difícil entender la física de lo que está sucediendo. Es por eso que estudiar la luz de estas estrellas es tan importante porque nos da pistas sobre lo que está sucediendo dentro de la estrella. Tienen un diámetro aproximado de 20 km y su gravedad es 2 mil millones de veces más fuerte que la de la Tierra. La estrella de neutrones es capaz de rotar hasta 43.000 veces por minuto. 


Ilustración artística de dos estrellas de neutrones fusionadas. La rejilla ondulante del espacio-tiempo representa ondas gravitacionales emitidas por la colisión, mientras que los haces estrechos son los chorros de rayos gamma que se disparan unos segundos después de las ondas gravitacionales (detectadas como una explosión de rayos gamma por los astrónomos). Las nubes arremolinadas de material representan partículas expulsadas de las estrellas que se fusionan. Las nubes brillan con diversas longitudes de onda de luz. NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Algunos científicos afirman que los núcleos están dominados por un grupo de quarks libres, los bloques de construcción fundamentales de la materia. Otros sostienen que los núcleos están llenos de algún otro tipo de partículas exóticas como los piones.


"Los investigadores, miembros del Centro de Fronteras de Física NANOGrav, descubrieron que un púlsar de milisegundos que gira rápidamente, llamado J0740 + 6620, es la estrella de neutrones más masiva jamás medida, con 2.17 veces la masa de nuestro Sol en una esfera de solo 30 kilómetros de diámetro.

Las estrellas de neutrones también tienen campos magnéticos intensos. Y son estos campos los que son parcialmente responsables de crear los rayos X y los rayos gamma que se ven desde estos objetos. A medida que los electrones aceleran alrededor y a lo largo de las líneas del campo magnético, emiten radiación (luz) en longitudes de onda desde ópticas (luz que podemos ver con nuestros ojos) hasta rayos gamma de muy alta energía.

Al igual que las estrellas normales, dos estrellas de neutrones pueden orbitarse entre sí.  Si están lo suficientemente cerca, incluso pueden ir en espiral hacia su destino en un intenso fenómeno conocido como “kilonova”. La colisión de dos estrellas de neutrones hizo que las ondas se escucharan en todo el mundo en 2017, cuando los investigadores detectaron ondas gravitacionales y luz provenientes del mismo choque cósmico. las colisiones de estrellas de neutrones son la fuente de gran parte del oro, el platino y otros elementos pesados ​​del universo. Lo que es un misterio es el resultado final de la colisión


Los astrónomos capturan ondas gravitacionales de estrellas de neutrones en colisión. La concepción artística muestra dos estrellas de neutrones en el momento de la colisión. Nuevas observaciones confirman que las estrellas de neutrones en colisión probablemente producen ráfagas cortas de rayos gamma. Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc.

PULSARS
Los astrónomos sospechan que todas las estrellas de neutrones giran y lo hacen con bastante rapidez. Como resultado, algunas observaciones de estrellas de neutrones producen una firma de emisión "pulsada". Por lo tanto, las estrellas de neutrones a menudo se denominan estrellas PULSating (o PULSARS), pero difieren de otras estrellas que tienen emisión variable. La pulsación de las estrellas de neutrones se debe a su rotación, mientras que otras estrellas que pulsan (como las estrellas cefidas) pulsan a medida que la estrella se expande y contrae.

Las estrellas de neutrones, los púlsares y los agujeros negros son algunos de los objetos estelares más exóticos del universo. Comprenderlos es solo una parte del aprendizaje sobre la física de las estrellas gigantes y cómo nacen, viven y mueren.

Fuentes: 
- Green Bank Observatory. "Most massive neutron star ever detected, almost too massive to exist." ScienceDaily. ScienceDaily, 16 September 2019. 
- Neutron Stars and Pulsars: Creation and Properties. John P. Millis, Ph.D, 2017. www.https://www.thoughtco.com
- SPACE.COM, WIKIPEDIA.COM

- https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news

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