Se necesitan 512 años para que un fotón de alta energía viaje desde la estrella de neutrones más cercana a la Tierra. Solo algunos de ellos hacen el viaje. Pero llevan la información necesaria para resolver una de las preguntas más difíciles en astrofísica.
Los fotones se disparan al espacio en una avalancha energética. Rayos calientes de energía de rayos X brotan de la superficie del pequeño remanente giratorio ultradenso de una supernova. Las vigas se dispersan durante largos siglos en tránsito. Pero de vez en cuando, un solo punto de luz de rayos X que viajó 157 parsecs (512 años luz) a través del espacio, 32 millones de veces la distancia entre la Tierra y el Sol, se gasta contra la Estación Espacial Internacional (ISS) X de rayos X, apodado NICER. Luego, en la Tierra, un archivo de texto ingresa un nuevo punto de datos: la energía del fotón y su tiempo de llegada, medidos con una precisión de microsegundos.
Ese punto de datos, junto con innumerables otros como el que se recopiló en el transcurso de los meses, responderá una pregunta básica tan pronto como el verano de 2018: ¿cuán ancho es J0437-4715, el vecino más cercano a la estrella de neutrones de la Tierra?
Si los investigadores pueden calcular el ancho de una estrella de neutrones, el físico Sharon Morsink dijo a una multitud de científicos en la reunión de la American Physical Society (APS) en abril de 2018, que la información podría señalar el camino para resolver uno de los grandes misterios de la física de partículas: cómo ¿Se comporta la materia cuando se la empuja a sus extremos más salvajes?
En la Tierra, dada la tecnología existente de la humanidad, existen algunos límites duros sobre cómo puede llegar a ser materia densa, incluso en laboratorios extremos, e incluso límites más duros sobre cuánto tiempo pueden sobrevivir los científicos de materia más densa. Eso significa que los físicos no han podido descubrir cómo se comportan las partículas a densidades extremas. Simplemente no hay muchos buenos experimentos disponibles.
"Hay varias metodologías diferentes que las personas inventan para tratar de decir cómo debe comportarse la materia súper densa, pero no todos están de acuerdo", dijo Morsink, físico de la Universidad de Alberta y miembro de un grupo de trabajo de la NASA. se centró en el ancho de las estrellas de neutrones, le dijo a Live Science. "Y la forma en que no todos están de acuerdo en realidad puede probarse porque cada uno de ellos hace una predicción de cuán grande puede ser una estrella de neutrones".
En otras palabras, la solución al misterio de la materia ultradensa está encerrada dentro de algunos de los objetos más densos del universo: las estrellas de neutrones. Y los científicos pueden descifrar ese misterio tan pronto como midan con precisión cuán anchas (y, por lo tanto, densas) son realmente las estrellas de neutrones.
Física de partículas en el espacio profundo.
"Las estrellas de neutrones son los objetos más escandalosos de los que la mayoría de la gente nunca ha oído hablar", dijo el científico de la NASA Zaven Arzoumanian a los físicos en la reunión en Columbus, Ohio.
Arzoumanian es uno de los jefes del proyecto Explorador de Composición Interior Neutron Star de la NASA (NICER), que constituye la base técnica para el trabajo de Morsink. NICER es un gran telescopio giratorio montado en la ISS; controla y mide con precisión los rayos X que llegan al área de la órbita baja de la Tierra desde el espacio profundo.
Una estrella de neutrones es el núcleo que queda después de una explosión masiva de supernova, pero se cree que no es mucho más ancha que una ciudad mediana. Las estrellas de neutrones pueden girar a altas fracciones de la velocidad de la luz, disparando haces parpadeantes de energía de rayos X al espacio con un tiempo más preciso que el tictac de los relojes atómicos.
Y lo más importante para los propósitos de Morsink y sus colegas, las estrellas de neutrones son los objetos más densos conocidos en el universo que no se han colapsado en agujeros negros, pero a diferencia de los agujeros negros, es posible que los científicos descubran qué sucede dentro de ellos. Los astrónomos solo necesitan saber con precisión cuán anchas son realmente las estrellas de neutrones, y NICER es el instrumento que finalmente debería responder esa pregunta.
Sopa Quark
Los científicos no saben exactamente cómo se comporta la materia en el núcleo extremo de una estrella de neutrones, pero entienden lo suficiente como para saber que es muy extraña.
Daniel Watts, físico de partículas en la Universidad de Edimburgo, dijo a una audiencia separada en la conferencia de APS que el interior de una estrella de neutrones es esencialmente un gran gran interrogante.
Los científicos tienen algunas mediciones excelentes de las masas de estrellas de neutrones. La masa de J0437-4715, por ejemplo, es aproximadamente 1,44 veces la del sol, a pesar de ser más o menos del tamaño del Bajo Manhattan. Eso significa, dijo Morsink, que J0437-4715 es mucho más denso que el núcleo de un átomo, con mucho, el objeto más denso que los científicos encuentran en la Tierra, donde la gran mayoría de la materia de un átomo se acumula en una pequeña mancha en su centro.
A ese nivel de densidad, explicó Watts, no está nada claro cómo se comporta la materia. Quarks, las diminutas partículas que forman neutrones y protones, que forman átomos, no pueden existir libremente por sí mismas. Pero cuando la materia alcanza densidades extremas, los quarks podrían unirse a partículas similares a las de la Tierra, o formar partículas más grandes y más complejas, o tal vez unirse por completo en una sopa de partículas más generalizada.
Lo que los científicos saben, dijo Watts a Live Science, es que los detalles de cómo se comporta la materia a densidades extremas determinarán qué tan anchas se vuelven realmente las estrellas de neutrones. Entonces, si los científicos pueden llegar a mediciones precisas de estrellas de neutrones, pueden reducir el rango de posibilidades de cómo se comporta la materia en esas condiciones extremas.
Y responder esa pregunta, dijo Watts, podría desbloquear respuestas a todo tipo de misterios de física de partículas que no tienen nada que ver con las estrellas de neutrones. Por ejemplo, dijo, podría ayudar a responder cómo los neutrones individuales se organizan en los núcleos de átomos muy pesados.
Las mediciones NICER toman tiempo
Se cree que la mayoría de las estrellas de neutrones, según Morsink, tienen entre 12 y 17 millas (20 y 28 kilómetros) de ancho, aunque pueden ser tan estrechas como 10 millas (16 km). Ese es un rango muy estrecho en términos de astronomía, pero no lo suficientemente preciso como para responder el tipo de preguntas en las que Morsink y sus colegas están interesados.
Para avanzar hacia respuestas aún más precisas, Morsink y sus colegas estudian los rayos X provenientes de "puntos calientes" que giran rápidamente en las estrellas de neutrones.
Aunque las estrellas de neutrones son esferas increíblemente compactas, sus campos magnéticos hacen que la energía que sale de sus superficies sea bastante desigual. Se forman parches brillantes y se forman hongos en sus superficies, girando en círculos a medida que las estrellas giran muchas veces por segundo.
Ahí es donde entra NICER. NICER es un gran telescopio giratorio montado en la ISS que puede sincronizar la luz proveniente de esos parches con una regularidad increíble.
Eso les permite a Morsink y sus colegas estudiar dos cosas, las cuales pueden ayudarlos a calcular el radio de una estrella de neutrones:
1. La velocidad de rotación: Cuando la estrella de neutrones gira, dijo Morsink, el punto brillante en su superficie parpadea hacia y lejos de la Tierra casi como el rayo de un faro girando en círculos. Morsink y sus colegas pueden estudiar cuidadosamente los datos de NICER para determinar exactamente cuántas veces la estrella parpadea en cada momento y exactamente qué tan rápido se mueve el punto brillante a través del espacio. Y la velocidad del movimiento del punto brillante es una función de la velocidad de rotación de la estrella y su radio. Si los investigadores pueden determinar la rotación y la velocidad, el radio es relativamente fácil de determinar.
2. Flexión ligera: Las estrellas de neutrones son tan densas que NICER puede detectar fotones desde el punto brillante de la estrella que se disparó al espacio mientras el punto se alejaba de la Tierra. El pozo de gravedad de una estrella de neutrones puede doblar la luz tan bruscamente que sus fotones giran hacia el sensor de NICER y chocan contra él. La tasa de curvatura de la luz también es una función del radio de la estrella y su masa. Entonces, al estudiar cuidadosamente la cantidad de luz con una curva de masa conocida, Morsink y sus colegas pueden calcular el radio de la estrella.
Y los investigadores están cerca de anunciar sus resultados, dijo Morsink. (Varios físicos en su charla sobre APS expresaron una ligera decepción por no haber anunciado un número específico y la emoción de que se acercara).
Morsink le dijo a Live Science que no estaba tratando de provocar el próximo anuncio. NICER aún no ha recolectado suficientes fotones para que el equipo ofrezca una buena respuesta.
"Es como sacar un pastel del horno demasiado pronto: terminas con un desastre", dijo.
Pero los fotones están llegando, uno por uno, durante los meses de estudio periódico de NICER. Y una respuesta se está acercando. En este momento, el equipo está buscando datos de J0437-4715 y la próxima estrella de neutrones más cercana de la Tierra, que está aproximadamente el doble de lejos.
Morsink dijo que no está segura del radio de la estrella de neutrones que ella y sus colegas publicarán primero, pero agregó que ambos anuncios llegarán en unos meses.
"El objetivo es que esto suceda más adelante este verano, donde 'verano' se está utilizando en un sentido bastante amplio", dijo. "Pero yo diría que para septiembre, deberíamos tener algo".
