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¿Qué sucede cuando un material es aplastado hasta el borde del colapso?  Pesamos una estrella de neutrones para ayudar a la NASA a descubrirlo

¿Qué sucede cuando un material es aplastado hasta el borde del colapso? Pesamos una estrella de neutrones para ayudar a la NASA a descubrirlo

Las estrellas de neutrones son algunos de los objetos más extremos del universo. Está formado por núcleos colapsados ​​de estrellas supergigantes y pesa más que nuestro Sol, pero está comprimido en una bola del tamaño de una ciudad.

Los densos núcleos de estas extrañas estrellas contienen materia comprimida en estados únicos que no podemos replicar ni estudiar en la Tierra. Por este motivo, la NASA está trabajando en una misión para estudiar las estrellas de neutrones y conocer la física que rige la materia en su interior.

Mis colegas y yo les ayudamos en este asunto. Utilizamos señales de radio de una estrella de neutrones que gira rápidamente para medir su masa. Esto permitió a los científicos que trabajaban con datos de la NASA medir el radio de la estrella, lo que a su vez nos proporcionó la información más precisa hasta el momento sobre la materia exótica que contiene.



Leer más: Explicado: ¿Qué es una estrella de neutrones?


¿Qué hay dentro de una estrella de neutrones?

La materia en el núcleo de las estrellas de neutrones es más densa que el núcleo de un átomo. Como la forma de materia más estable y densa del universo, está siendo exprimida hasta su límite y está a punto de colapsar en un agujero negro. Comprender cómo se comporta la materia en estas condiciones es una prueba importante para nuestras teorías de física fundamental.

NASA Misión de exploración de la estructura interior de estrellas de neutrones (NICER) Intenta resolver los misterios de este tema extremo.

NICER es un telescopio de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional. Detecta rayos X provenientes de puntos calientes en la superficie de estrellas de neutrones donde las temperaturas pueden alcanzar millones de grados.

Los científicos crean modelos del tiempo y las energías de estos rayos X para mapear puntos calientes y determinar la masa y el tamaño de las estrellas de neutrones.

Saber cómo se relacionan los tamaños de las estrellas de neutrones con sus masas revelará la “ecuación de estado” de la materia en sus núcleos. Esto les dice a los científicos qué tan blanda o dura es la estrella de neutrones, qué tan “compresible” es y, por lo tanto, de qué está hecha.

La ecuación de estado más suave indicaría que los neutrones del núcleo se están desintegrando en una extraña sopa de partículas más pequeñas. Una ecuación de caso más difícil podría significar que los neutrones resisten, lo que lleva a la aparición de estrellas de neutrones más grandes.

La ecuación de estado también determina cómo y cuándo las estrellas de neutrones se rompen cuando chocan.

Resuelve el rompecabezas con la estrella vecina de neutrones.

Uno de los principales objetivos de NICER es una estrella de neutrones llamada PSR J0437-4715, que es el púlsar de milisegundos más cercano y más brillante.

Un púlsar es una estrella de neutrones que emite haces de ondas de radio que observamos como un pulso cada vez que la estrella de neutrones gira.

Este púlsar gira a una velocidad de 173 veces por segundo (a la velocidad de una licuadora). Lo hemos estado viendo durante casi 30 años. MoreyangRadiotelescopio Parkes de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth de Nueva Gales del Sur.

Moriyang, Radiotelescopio CSIRO Parkes.
Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth

El equipo de datos NICER enfrentó un gran desafío con respecto a este púlsar. Los rayos X de una galaxia cercana han dificultado el modelado preciso de puntos calientes en la superficie de una estrella de neutrones.

Afortunadamente, pudimos utilizar ondas de radio para encontrar una medida independiente de la masa del púlsar. Sin esta información crucial, el equipo no habría podido obtener la masa correcta.

El peso de una estrella de neutrones depende del tiempo

Para medir la masa de una estrella de neutrones nos basamos en el efecto descrito por la teoría de la relatividad general de Einstein, llamado retraso de Shapiro.

Los objetos masivos y densos como los púlsares (en este caso su estrella compañera, una enana blanca) distorsionan el espacio y el tiempo. El púlsar y su compañero se orbitan entre sí una vez cada 5,74 días. Cuando los pulsos viajan desde el púlsar hasta nosotros a través del espacio-tiempo comprimido que rodea a la enana blanca, se retrasan unos pocos microsegundos.

Una enana blanca orbita un púlsar, distorsionando el espacio-tiempo y retrasando los pulsos de radio del púlsar. Crédito de la imagen: Carl Knox/Osgrave.

Retrasos tan precisos son fáciles de medir utilizando las morayangs de púlsares como el PSR J0437-4715. Este púlsar y otros similares son observados periódicamente por… Juego de sincronización del púlsar de Parkes Un proyecto utiliza estos púlsares para detectar ondas gravitacionales.



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Debido a que la estrella PSR J0437-4715 está relativamente cerca de nosotros, su órbita parece oscilar ligeramente desde nuestra vista a medida que la Tierra se mueve alrededor del Sol. Esta oscilación nos da más detalles sobre la geometría de la órbita. Usamos esto con el retraso de Shapiro para encontrar las masas de la enana blanca compañera y del púlsar.

Masa y tamaño del PSR J0437-4715

contamos La masa de este púlsar es típica de una estrella de neutrones, 1,42 veces la masa de nuestro Sol. Esto es importante porque el tamaño de este púlsar también debería ser el tamaño de una estrella de neutrones típica.

Los científicos que trabajaron con los datos de NICER pudieron determinar y calcular la geometría de los puntos calientes de rayos X. El radio de una estrella de neutrones es de 11,4 km.. Estos resultados dan El punto de instalación más preciso. No se ha encontrado la ecuación de estado para una estrella de neutrones con densidades intermedias.

Nuestra nueva imagen ya ha descartado las ecuaciones de estado más suaves y más rígidas de las estrellas de neutrones. Los científicos seguirán descifrando exactamente qué significa esto con respecto a la presencia de materia exótica en los núcleos internos de las estrellas de neutrones. Las teorías indican que esta materia puede incluir quarks que tienen Huyeron de sus hogares naturales. Dentro de moléculas más grandes, o moléculas raras conocidas como Hiperón.

El púlsar de milisegundo PSR J0437-4715, a la izquierda visto desde la Tierra y a la derecha visto desde su plano ecuatorial. El color violeta rosado indica la temperatura de los puntos calientes en los polos. Los polos magnéticos calientes no están exactamente opuestos entre sí. Debido a que la estrella es tan densa, la animación también muestra el efecto de desviación de la luz causado por la intensa gravedad. NASA/Sharon Morsink/Devarshi Chowdhury et al.

Estos nuevos datos se suman a un modelo emergente del diseño interior de las estrellas de neutrones que también se ha basado en observaciones de ondas gravitacionales generadas por colisiones de estrellas de neutrones y la explosión que las acompaña, llamada kilonova.

Moriang tiene una larga trayectoria ayudando en las misiones de la NASA y fue utilizado como receptor principal de imágenes durante la mayor parte del paseo lunar del Apolo 11. Ahora hemos utilizado este famoso telescopio para “escudriñar” la física del interior de las estrellas de neutrones, mejorando nuestra comprensión fundamental del universo.

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