Fallos del púlsar: cómo los físicos entienden el rompecabezas cósmico para explicar

Era 1967. Los enfrentamientos de Nathu La y Chu La entre los ejércitos indio y chino acababan de terminar. La guerra hacía estragos en Vietnam. La carrera espacial estaba en su apogeo. En ese momento, un grupo de astrónomos de la Universidad de Cambridge montó un conjunto de antenas para utilizarlas como telescopio y estudiar las ondas de radio emitidas por estrellas distantes.

Cuando comenzaron a operar la matriz, dos miembros del grupo, Jocelyn Bell Burnell y Anthony Hewish, notaron un conjunto de señales que parpadeaban de manera periódica. No conocían sus orígenes.

Hoy sabemos que el dúo descubrió el primer púlsar, llamado PSR B1919+21.

Pulsar y neutrón

El púlsar resulta estar estrechamente relacionado con un descubrimiento realizado en 1932, cuando James Chadwick descubrió el neutrón. Cuando los neutrones están en un grupo, no se les permite tener la misma energía. Cada neutrón tendrá que establecerse Más bajo disponible Nivel de energía. Si la gravedad intentara comprimir este grupo de neutrones hacia adentro, su incapacidad para «fusionarse» en un nivel de energía común resistiría la presión hacia afuera.

Cuando las estrellas pesadas mueren, sus núcleos explotan. Si son lo suficientemente pesados, se convierten en agujeros negros; Pero si no, colapsa lo suficiente como para formar una bola de neutrones, y la gravedad no es lo suficientemente fuerte como para superar su presión externa. Este objeto compacto y ultradenso se llama estrella de neutrones.

Cuando el grupo de Cambridge informó haber encontrado un púlsar, otros científicos propusieron varias posibilidades para el origen de la inusual señal del púlsar. Muchos de ellos (incluidas civilizaciones extraterrestres) también han sido rechazados. En última instancia, el hecho de que las señales vinieran de una porción muy pequeña de cielo y se repitieran repetidamente llevó a los científicos a identificar los púlsares como púlsares. el envolvió Estrellas de neutrones.

Las señales de radio que emanan cerca de los polos de una estrella de este tipo formarían un cono estrecho que atravesaría la Tierra con cada revolución, como la luz de un faro que brilla sobre un barco en el mar.

Una animación que representa el efecto de faro de un púlsar. Fuente: Michael Kramer (CC BY-SA 3.0)

Momento no tan simple

Los físicos pronto descubrieron que la rotación de estas estrellas de neutrones se desaceleraba con el tiempo y luego descubrieron por qué. Descubrieron que la energía «conservada» al reducir la velocidad de rotación se utilizaba para acelerar las cargas eléctricas fuera de la estrella, produciendo señales de radio.

Esta explicación fue satisfactoria porque se ajustaba con mucha precisión a sus teorías, hasta que descubrieron un problema en 1969. Dos grupos de investigadores, trabajando por separado, informaron de un aumento repentino y breve en la velocidad de rotación del púlsar PSR 0833-45.

Este fallo aún no se ha explicado 44 años después, aunque los físicos tienen algunas ideas. Hasta ahora han observado más de 3.000 púlsares y unas 700 anomalías de este tipo. Los datos que recopilaron, junto con algunos conocimientos de física, llevaron a algunas hipótesis sobre cuáles son estos errores y por qué ocurren.

característica extraña

Cuando los científicos trazaron en un gráfico la velocidad de rotación de los púlsares a lo largo del tiempo, vieron el familiar patrón decreciente. Durante una falla, la tasa aumenta brevemente antes de regresar al valor original. Descubrieron que este proceso era muy lento. Esta es una gran evidencia si asumimos que el defecto es el resultado de algo que sucede dentro de la estrella.

Esto significa que si el interior de una estrella de neutrones estuviera formado principalmente por materia ordinaria, todos los movimientos relativistas internos serían rápidamente suprimidos por la fricción, en unos pocos milisegundos. Entonces, la lenta relajación después del fallo sugiere que los neutrones dentro de la estrella se encontraban en un estado resbaladizo y sin fricción, que los físicos llamaron superfluidos.

Los superfluidos tienen propiedades extrañas. El superfluido que se mueve dentro del contenedor seguirá moviéndose. A cierta velocidad, una sección cilíndrica delgada girará en un vórtice. A medida que aumenta la velocidad de rotación del contenedor, aparecen más vórtices de este tipo. El número de vórtices, o su densidad numérica, determina la rapidez con la que gira el propio fluido. Esto tiene implicaciones interesantes para el púlsar.

Origen de los fallos

Una estrella de neutrones es una esfera de 20 km de ancho con una capa y un núcleo sólidos. Se cree que la corteza es una red de núcleos similares al hierro, intercalados con un superfluido de neutrones. El núcleo contiene principalmente superfluidos y no tiene partes sólidas.

La presencia de un superfluido en un sistema giratorio implica inmediatamente la presencia de vórtices. Da la casualidad de que los vórtices tienen menos energía cuando están unidos a núcleos de la corteza terrestre que cuando no lo están. Todos los fenómenos naturales preferirían tener menos energía que más. El fenómeno de los vórtices que se «pegan» a los núcleos se llama pinning.

Cuando una estrella de neutrones en rotación pierde energía debido a la radiación, la corteza se desacelera. Por otro lado, los vórtices fijados no pueden reorganizarse libremente, lo que significa que la densidad de los vórtices permanece sin cambios y la velocidad de rotación del superfluido se mantiene.

La diferencia de velocidad entre la corteza y el superfluido da como resultado una fuerza que actúa sobre los vórtices y que eventualmente supera la fijación. En este punto, los vórtices son lanzados hacia afuera, reduciendo la velocidad del superfluido. La corteza gana el momento angular perdido por el superfluido, y este breve aumento del giro se refleja como una anomalía en los datos de sincronización del púlsar.

Tenga en cuenta que muchos detalles del mecanismo de la falla son muy controvertidos, incluida su causa en el espacio y la forma en que evoluciona con el tiempo. Por tanto, el tema constituye un terreno fértil para la investigación científica, investigación que puede ayudarnos a comprender la variedad de la física que se desarrolla dentro de una estrella de neutrones.

Como dijo Ghalib: «Las estrellas son una cosa y otra aparece. Estos estafadores nos están engañando abiertamente».

El autor es investigador de doctorado de cuarto año en el Departamento de Física de la Universidad de Ashoka.