CIENCIA › DIALOGO CON PEDRO GIMENEZ MOLINELLI, DOCTORANDO EN FISICA

Estrella de neutrones: cadáveres de supernovas

Durante una supernova, una estrella estalla y libera casi todo su material al espacio. Sin embargo, una “estrella de neutrones” se conserva en su centro. Su estudio resulta interesante en la medida en que se trata de núcleos atómicos pero enormemente grandes.

 Por Leonardo Moledo

–¿Qué investiga en su doctorado?

–Estudio estrellas de neutrones. Trabajo en este momento, específicamente, en simulaciones computacionales, tema al que llegué después de un recorrido bastante largo. Empecé estudiando colisiones nucleares también haciendo simulaciones, y una cosa me fue llevando a la otra. Ahora estudio estrellas de neutrones, que es básicamente el mismo tema pero en otras condiciones.

–¿Qué es una estrella de neutrones?

–Es uno de los posibles escenarios que se dan cuando muere una estrella. Una estrella como el sol, por ejemplo, es estable porque hay un balance entre la fuerza gravitatoria que las intenta hacer colapsar y las reacciones nucleares en el centro que compensan esa presión gravitatoria. Cuando se acaba el combustible interno de las estrellas y ya no pueden compensar el campo gravitatorio, las estrellas colapsan y explotan en lo que puede ser una supernova. Cuando estalla la supernova, queda un remanente de materia nuclear (lo que llamamos “estrella de neutrones”). Es el cadáver de una supernova.

–Pero no de cualquier estrella.

–No, para que pueda aparecer la estrella de neutrones tiene que tener dos o tres veces la masa del Sol. Cuando colapsa una estrella de dos o tres masas solares, se convierte en una estrella de neutrones que básicamente tiene la masa del Sol concentrada en lo que sería el diámetro de la ciudad de Buenos Aires.

–Con densidades enormes pero no suficientes para transformarse en un agujero negro.

–Exactamente. No fue un agujero negro porque le pegó en el palo, porque si tiene más de tres masas solares, el mismo proceso produce un agujero negro.

–Y las estrellas de neutrones giran a alta velocidad.

–Claro. En la jerga se las conoce como púlsares, porque tienen un campo magnético que rota muy rápido y se ve como un faro que titila.

–¿Cuánto es muy rápido?

–No lo tengo muy claro. Yo lo que estudio es la estructura interna.

–¿Y cómo es?

–Las estrellas de neutrones son interesantes porque son básicamente núcleos atómicos pero infinitamente grandes. Nosotros, como humanidad, sabemos bastante bien cómo se porta la estructura nuclear en la Tierra: tenemos una tabla periódica de los elementos, cada núcleo tiene su composición (protones y neutrones). Una estrella de neutrones es un laboratorio natural interesante para estudiar cómo se porta la materia nuclear en condiciones extremas. En la Tierra podemos hacer colisiones nucleares, pero eso involucra pocas partículas a muy alta temperatura y muy alta densidad; las estrellas de neutrones, se supone, están construidas por la misma materia, pero en situaciones de muy baja temperatura y muy baja densidad.

–¿Baja?

–La densidad cerca de la corteza de las estrellas de neutrones es más baja que la densidad de un núcleo.

–Entonces es un núcleo que tiene muchos neutrones, muchos más que protones. ¿Qué pasa con esos neutrones?

–Durante el proceso de colapso de la supernova, que es el que da lugar a la estrella de neutrones, los protones van captando electrones que también están en las estrellas y se producen neutrones.

–Recordemos que si un protón absorbe un electrón se transforma en un neutrón.

–Y en un neutrino. Cuando colapsa la estrella de neutrones, que en principio está compuesta por la misma cantidad de protones y neutrones, los protones van captando esos electrones, se transforman en neutrones y la estrella recibe así su nombre (porque tiene más neutrones que protones). Aunque también tiene protones. De hecho, a medida que uno se va acercando al núcleo la proporción de protones aumenta. Eso es una de las cosas que estamos estudiando: cómo va cambiando la estructura de la materia nuclear con exceso de neutrones a medida que uno va aumentando la densidad.

–¿Y cómo va cambiando?

–Cuando uno está en la superficie de la estrella de neutrones, encuentra básicamente los mismos núcleos que hay en la Tierra. A medida que la presión gravitatoria va haciendo que esos núcleos se aprieten unos contra otros, se van ordenando en estructuras exóticas. Los primeros investigadores que se encontraron con esto decidieron darle el nombre de “pasta nuclear” porque les evocaba, por la forma en que se ordenan, ñoquis, espaguetis, lasaña. Nosotros ahora estamos haciendo simulaciones para explicar si esas estructuras pueden existir.

–¿Y qué está dando como resultado?

–Un núcleo tal como uno lo conoce en la Tierra es básicamente esférico. Si uno lo empieza a apretar contra otro, se puede llegar a fusionar y armar cosas más grandes (lo que estos investigadores llamaron “ñoquis”). Las interacciones entre “ñoquis” pueden hacer que se vayan estirando en una dirección y que juntos conformen una especie de paquete de fideos crudos, mucho más largos en una dirección que en otra. Esto ocurre en la corteza interior. A medida que uno va ingresando la cosa se hace más densa: por debajo de la corteza interior está el núcleo, donde los protones dejan de ser protones y empiezan a aparecer quarks y otras partículas.

–¿Qué temperatura tiene en la superficie la estrella de neutrones?

–Tengo los números en términos de megaelectrónvolt, que es un término de energía. Es alrededor de uno o dos megaelectrónvolt.

–No es demasiado. Y si vamos ingresando...

–Encontramos muchos núcleos de hierro que son los más estables. A medida que vamos entrando en la estrella, la proporción de neutrones aumenta, la temperatura también lo hace y estos núcleos, debido a la fuerza gravitatoria, se empiezan a fusionar. Cuando el sistema es tan denso que los núcleos empiezan a molestarse unos a otros, se empiezan a pegar en estas estructuras que llamamos espaguetis. Tenemos básicamente esferas que se juntan mucho, formando espaguetis. Si entramos más aún sigue aumentando la proporción de neutrones y estos núcleos tipo espagueti empiezan a pegarse entre sí y armar láminas, en algo parecido a una lasaña. Eso ocurre en los primeros dos kilómetros de la estrella de neutrones, que tiene más o menos 5 de radio. Si vamos más adentro aún, la energía alcanza para que los protones se desarmen: dejan de ser protones y electrones y pasan a ser partículas más pequeñas.

–¿Hay quarks sueltos?

–No, hay un plasma de quarks y gluones. Un plasma como lo conocemos es un sistema de alta presión que está altamente ionizado, de modo que los protones y los electrones se pueden mover independientemente. En el centro de las estrellas de neutrones pasa lo mismo con los quarks: se diluyen los protones y los quarks nadan independientemente.

–Un protón está formado por tres quarks y un neutrón también.

–Sí.

–Todo esto es teoría, ¿no?

–Sí...

–¿Por qué con puntos suspensivos?

–Los puntos suspensivos se los puso usted. Yo no escribí la nota.

–Pero los puse porque usted lo dijo con un tono de duda...

–Tuve un tono de duda porque la palabra “teoría” tiene muchas acepciones. Es una teoría, sí, pero con una base empírica contrastable.

–¿Se puede constatar lo que hay en el centro de una estrella de neutrones?

–No, pero aquí es donde entran en juego los neutrinos. Porque si uno pone toda la física que conoce cerca de la materia nuclear e intenta pensar cómo se produce la estrella de neutrones en el colapso, los neutrinos que salen del centro de la estrella de neutrones tienen que golpear a la materia que viene colapsando. Y con lo que nosotros sabemos de cómo interactúan los neutrinos con los núcleos que se encuentran en el centro de la Tierra, no alcanza... Es muy difícil que los neutrinos interactúen con algo. Por eso la teoría de los espaguetis se explica porque cumplirían una función especial de ser más opacos a los neutrinos que los núcleos solos. Cinco núcleos normales son pasados por alto por el neutrino, pero cinco espaguetis ya no es tan fácil.

–Igual es poco probable, ¿no?

–Sí, pero cada tanto algo le pega. Y si no existieran estas pastas es imposible explicar cómo el colapso de una supernova se revierte. Estas pastas ayudarían a que se enfríen las estrellas de neutrones, captando y emitiendo los neutrinos que vienen del centro. Es una teoría en el sentido de que no podemos hacer experimentos para verificar, pero hay elementos empíricos para suponer que estas cosas pueden llegar a existir. Es razonable pensar que en el centro de las estrellas de neutrones existe un plasma de quark-gluones que emite neutrinos y que si no estuvieran estas pastas en la corteza no se podría revertir el colapso de una supernova y no se podrían enfriar las estrellas de neutrones, cosa que observamos que pasa.

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Imagen: Leandro Teysseire
 
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