Durante décadas, los físicos han teorizado sobre la existencia de materia exótica dentro de las estrellas de neutrones: restos de estrellas colapsadas tan densos que la gravedad aplasta los átomos hasta convertirlos en sus componentes fundamentales. Ahora, una nueva investigación sugiere que pronto podremos confirmar la existencia de esta materia, que existió por última vez poco después del Big Bang, analizando las sutiles distorsiones en las ondas gravitacionales emitidas por la fusión de estrellas de neutrones.
La física extrema de las estrellas de neutrones
Las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más densos del universo. Se forman cuando estrellas masivas mueren en explosiones de supernovas y concentran la masa de nuestro Sol en una esfera aproximadamente del tamaño de una ciudad. Esta densidad extrema aplasta protones y electrones, formando neutrones. Pero en lo más profundo de estos restos estelares, la gravedad podría ser tan inmensa que incluso los neutrones se descomponen en sus quarks y gluones constituyentes, creando un estado de la materia llamado plasma de quarks-gluones.
Este plasma es significativo porque es el mismo estado de la materia que existía durante los primeros momentos del universo, fracciones de segundo después del Big Bang. Encontrarlo dentro de estrellas de neutrones nos daría un laboratorio único para estudiar condiciones imposibles de replicar en la Tierra, excepto en aceleradores de partículas.
Cómo las ondas gravitacionales son la clave
La clave para descubrir este misterio radica en la observación de estrellas de neutrones binarias: pares de estos cadáveres estelares girando en espiral uno hacia el otro. A medida que orbitan más cerca, su intensa gravedad se deforma entre sí, generando ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales. Los investigadores ahora creen que estas ondas llevan una huella oculta de la estructura interna de las estrellas de neutrones.
El equipo, liderado por Nicolás Yunes de la Universidad de Illinois y Abhishek Hegade de la Universidad de Princeton, ha desarrollado un marco teórico para descifrar esta huella. La idea es que las fuerzas de marea entre las estrellas de neutrones provocan vibraciones dentro de sus núcleos, como tocar una campana. La frecuencia de estas vibraciones está incrustada en las ondas gravitacionales.
Superar obstáculos teóricos
Un desafío importante ha sido explicar la energía perdida a través de las propias ondas gravitacionales. La física newtoniana proporciona un conjunto completo de modos de vibración para los objetos, pero la relatividad general complica las cosas. Yunes y Hegade resolvieron esto tratando cada estrella de neutrones individualmente, calculando la influencia de su compañera como una fuerza externa. Descubrieron que al dividir el problema en escalas más pequeñas, podían describir con precisión el conjunto completo de modos vibratorios y su huella en las ondas gravitacionales.
“Mostramos dos cosas importantes”, dijo Hegade. “En primer lugar, pudimos restar la radiación y descubrimos que los modos de una estrella de neutrones efectivamente forman un conjunto completo. En segundo lugar, descubrimos que si se resuelve consistentemente un determinado conjunto de ecuaciones utilizando un campo de mareas que sea suficientemente ‘suave’, es una solución para el interior de una estrella, y se pueden hacer las mismas cosas en la relatividad general que en la gravedad newtoniana”.
El futuro de la investigación de estrellas de neutrones
Si bien este trabajo es actualmente teórico, la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales, como el Explorador Cósmico propuesto y el Telescopio Einstein, pronto podrán ser lo suficientemente sensibles como para detectar estas distorsiones sutiles. Si tiene éxito, esto podría abrir una ventana a la física extrema de las estrellas de neutrones y permitir vislumbrar las condiciones que dieron forma al universo primitivo.
Comprender el interior de las estrellas de neutrones no es sólo una cuestión de física fundamental. Nos ayuda a refinar nuestra comprensión de la gravedad, la materia en densidades extremas y los orígenes mismos de nuestro universo. Los próximos años prometen ser una época apasionante para este campo.
