Los objetos más extremos del Universo, parte 1: estrellas de neutrones, púlsares y magnetares

En un artículo previo les conté acerca de la vida y muerte de los diferentes tipos de estrellas, dependiendo de cuán masivas eran cada una de éstas. En el caso de las estrellas pequeñas y medianas, viven vidas relativamente largas y tranquilas, y su muerte se produce de forma relativamente pacífica, expulsando sus capas exteriores hacia el espacio en lo que se conoce como “nebulosa planetaria” y dejando como remanente el pequeño núcleo en forma de enana blanca. Pero cuando las estrellas son más masivas la historia se torna un poco diferente.

 Las estrellas masivas viven vidas cortas e interesantes, queman su combustible de forma acelerada y producen un amplio espectro de elementos al hacerlo. Por otro lado, la muerte de estas estrellas es sumamente caótica, uno de los eventos más tremendos de la naturaleza: una feroz explosión conocida como “supernova”. Y tras éste espectacular evento, donde la mayor parte de la estrella se esparce por el espacio, queda un exótico remanente: una estrella de neutrones. Esto sucede para las estrellas masivas que poseen hasta 10 masas solares; para estrellas aún más masivas, entre 10 y 25 masas solares, el remanente que queda tras la explosión es muy diferente, pero voy a dejar eso pendiente para otro futuro artículo.


En este artículo vamos a analizar, tratar de comprender y de imaginarnos (tarea sumamente complicada) tres de los objetos más exóticos del Universo: las estrellas de neutrones, los púlsares y los magnetares. Todos estos son remanentes de las muertes de las estrellas masivas (hasta 10 masas solares), y aunque sus nombres son diferentes, en realidad son tres caras de una misma moneda (si existiera una moneda de tres caras).

Composición artística de una estrella de neutrones rotando a altísimas velocidades y expulsando chorros de radiación en el proceso. Fuente: digitalblasphemy.com.

¿Qué es una estrella de neutrones? Bueno, el nombre mismo nos da bastante información sobre éste objeto: una estrella compuesta casi únicamente por neutrones. Lo que el nombre no nos brinda es una imagen clara de lo que eso significa, de lo increíblemente extraño que éste objeto es. Para hacernos una idea de esto, tratemos de pensar en como se encuentran formados los objetos cotidianos. Básicamente, si analizamos cualquier objeto común a una escala muy pequeña, descubriremos que se encuentra formado por átomos. Estas diminutas partículas, a la vez, se encuentran compuestas por otras partículas más pequeñas: protones, neutrones y electrones. La forma en que se organizan éstas tres partículas dentro de los átomos es la siguiente: un núcleo atómico compuesto por protones y neutrones, donde se encuentra la mayoría de la masa del átomo, rodeado por una nube de electrones (aunque a escalas atómicas la separación entre el núcleo y los electrones es gigantesca, por lo que suele decirse que el átomo está compuesto principalmente de vacío).
 

Estructura interna de un átomo. La aclaración en la parte inferior de la imagen nos brinda una idea de lo que correspondería al átomo en escala.

Todos los objetos comunes del universo se encuentran formados por átomos. Incluso las estrellas, donde las condiciones de temperatura y presión son extremas, también están formadas por átomos, en su mayoría de hidrógeno y helio. Pero las estrellas de neutrones, en cambio, no entran dentro de la categoría de objetos comunes o cotidianos, justamente porque no se encuentran formadas por átomos. La inimaginable presión a la que es sometida la estrella durante su cataclísmica explosión en supernova produce un efecto bastante singular, llamado neutronización o “captura de electrones”. Para explicarlo de forma simple, durante este proceso la extrema presión hace que los electrones sean capturados por los núcleos atómicos, convirtiendo de ésta forma todos los protones en neutrones. Entonces la estrella queda compuesta, en su mayoría, por puros neutrones sin carga eléctrica alguna.

Esquema de la estructura interna y superficial de una estrella de neutrones.

En este objeto exótico y singular todas las condiciones son extremas. El resultado de la increíble presión y compresión que existe en una estrella de neutrones es un objeto increíblemente masivo, increíblemente denso, con un tamaño relativo realmente pequeño. Un estrella de neutrones típica posee una masa de entre 1,35 y 2 masas solares, comprimida en un objeto de aproximadamente entre 10 y 20 kilómetros de radio. Esto significa que contemplamos a un objeto con el doble de masa que el Sol (estrella que tiene 700.000 kilómetros de radio) comprimida en un tamaño de 20 kilómetros, es decir, el tamaño de una ciudad. Sé que son condiciones difíciles de imaginar, por eso vamos a usar algunas analogías para comprenderlo mejor.

Ilustración más simple acerca de la estructura de una estrella de neutrones.

Para interpretar lo masiva que es una estrella de neutrones podríamos decir que, si tuviéramos la hipotética oportunidad de viajar a una de ellas y tomar una cucharadita de “estrella de neutrones”, esa simple cucharadita pesaría más de 5 mil millones de toneladas, y tendría una masa comparable a 900 veces la masa de la gran pirámide de Giza. Otra forma de entenderlo es pensar en la densidad de una estrella de neutrones, y como analogía podríamos decir que dicha densidad es equivalente a la masa conjunta de toda la población humana comprimida en el tamaño de un pequeño cubo de azúcar. Tal densidad le brinda a la estrella de neutrones una altísima gravedad superficial, equivalente a 100.000.000.000 veces la gravedad de la Tierra. Si un objeto se acercase lo suficiente como para sufrir dichos efectos gravitacionales, entonces los propios átomos del objeto se destrozarían en pedazos y pasarían a formar parte del propio material de la estrella de neutrones.

Comparación de tamaño entre una estrella de neutrones y una ciudad (en este caso Vancouver). Como puede apreciarse, mientras que el tamaño es similar, la estrella de neutrones contiene al menos 2 veces la masa del Sol.

Antes de pasar a hablar sobre el próximo objeto extremo, volvamos algunos años atrás en el tiempo. En el año 1967 astrónomos detectaron un pulso regular proveniente del espacio, repitiéndose con precisión cada 1,3 segundos. Puesto que no se conocía ningún objeto natural capaz de producir pulsos con tal precisión, la conclusión fue obvia: alguien nos enviaba señales y trataba de comunicarse con nosotros. Por supuesto, como toda conclusión apresurada, ésta se encontraba equivocada.

Este diagrama esquemático de un púlsar ilustra las líneas de campo magnético en blanco, el eje de rotación en verde y los dos chorros polares de radiación en azul. Fuente: Wikipedia.

Tras estudiar más detenidamente estos pulsos regulares se determinó que provenían de estrellas en rápida rotación, y se los denominó “púlsares”, como abreviación de “estrella pulsante”. Hoy en día sabemos que son las estrellas de neutrones quienes giran a velocidades increíbles y emiten éstos pulsos constantes al hacerlo, por lo tanto los denominados “púlsares” y las estrellas de neutrones son el mismo fenómeno, nombrado de dos formas diferentes (técnicamente, se habla de “púlsar” cuando se estudian los fenómenos relacionados con la rotación y los pulsos; y se habla de “estrella de neutrones” cuando se estudia la composición y otras características de la estrella).

Púlsar de la Nebulosa del Cangrejo. Esta imagen combina imágenes del Telescopio espacial Hubble (rojo), e imágenes en rayos X obtenidas por el Telescopio Chandra (azul). Fuente: Wikipedia.

¿Pero cómo es que los púlsares producen estos pulsos regulares, que casi parecen de origen artificial? Bueno, la respuesta se encuentra en su rotación. Todas las estrellas comunes que conocemos se encuentran rotando; pero cuando una estrella explota en supernova, al producirse la compresión de la estrella común para pasar a ser una estrella de neutrones, se produce un fenómeno físico conocido como "conservación del momento angular", que hace que la rotación también se comprima y el objeto alcance velocidades increíbles.

Por otro lado, este giro produce un intenso campo magnético, cuya fuerza expulsa a los electrones y otras partículas hacia el espacio en forma de chorros de energía y radiación, a altísimas velocidades. Cuando esos chorros de radiación expulsados por la estrella de neutrones se cruzan en nuestro campo de visión, los percibimos como pulsos que varían regularmente en el tiempo, de acuerdo al periodo de rotación de la estrella.

Representación artística de los chorros de radiación expulsados por un púlsar.

En esta pequeña animación podemos apreciar exactamente cómo al cruzarse los chorros de radiación en nuestra línea de visión percibimos un pulso.

Algo espectacular acerca de los púlsares es que cada uno de ellos posee una velocidad de rotación diferente, por lo que cada uno de ellos es único. El mas lento conocido rota una vez cada 9,4 segundos, mientras que el mas rápido gira una 716 veces cada segundo. Esto convierte a la velocidad de cada púlsar en su distintivo, su "huella digital" cósmica: conociendo la velocidad de rotación de un púlsar se puede saber de qué púlsar se trata. Y dado que cada uno de ellos tiene su firma única, se vuelven objetos astronómicos muy útiles para realizar mediciones de distancias y tiempos en el espacio.

Ciclo pulsante de rayos gamas emitido por el púlsar Vela.

Los púlsares pierden velocidad de rotación con el pasar del tiempo, aunque en cantidades que nos parecerían insignificantes; por ejemplo, un púlsar que gira una vez por segundo podría perder 0,03 segundos en un millón de años. Sin embargo, también existe un proceso que puede acelerar la velocidad de los púlsares. Esto se produce porque, aunque pueda parecer una masa sólida, las estrellas de neutrones tienen una corteza en su superficie. Y a través de fuerzas en el núcleo de la estrella puede producirse lo que se denomina "sismo estelar", el cual agrieta la corteza y produce "fallas". Todo este caótico proceso reajusta por completo la composición de la estrella y por lo tanto su rotación.

Representación artística de un sismo estelar, el cual produce fallas en la corteza de la estrella de neutrones.

Existe otro tipo de púlsares aún más exóticos, los llamados "púlsares de milisegundo". Estos son púlsares pertenecientes a sistemas binarios, que tienen una estrella cerca a la cual “robarle” algo de material. Puesto que dicho material cae hacia el centro en forma de remolino, el púlsar recibe una aceleración que incrementa su velocidad hasta el orden de los milisegundos. Una analogía para comprender este comportamiento es imaginarse al púlsar como una rueda de bicicleta y a la masa robada de la estrella cercana como nuestra propia mano, cayendo hacia la rueda en el mismo ángulo de rotación y dándole un impulso que incrementa la velocidad total de la rueda. Los púlsares de milisegundo son tan raros como imaginar a una ciudad entera girando sobre sí misma miles de veces por segundo.

1.Una estrella supergigante masiva y una estrella normal se orbitan mutuamente en un sistema binario. - 2.La estrella masiva agota su combustible y explota en supernova, dejando una estrella de neutrones como remanente. Por decenas de millones de años, la estrella de neutrones actúa como un púlsar de radio activo. Eventualmente, pierde velocidad, deja de funcionar como púlsar y se convierte en una simple estrella de neutrones enfriándose. - 3.Después de billones de años, la estrella menos masiva evoluciona y se expande en una gigante roja. Material de la estrella es absorbido por la estrella de neutrones, en un proceso llamado “acreción”. La acreción transfiere momento angular a la estrella de neutrones y la hace rotar más rápidamente. - 4.Una vez que la acreción termina, la estrella de neutrones gira muy rápidamente y emerge como un púlsar de milisegundo. Este proceso se conoce como “reciclado”.

Pero aún existe un monstruo más raro que los púlsares de milisegundo, y estos son los denominados "magnetares". Los púlsares regulares poseen intensos campos magnéticos, pero los magnetares, como seguramente pueden darse cuenta por el nombre, llevan el magnetismo al extremo. El campo magnético de un magnetar puede ser mil millones de millones de veces mas intenso que el de la Tierra.

Representación artística de un magnetar.

En los sistemas binarios lo normal es que los púlsares tengan estrellas comunes como compañeras, pero existe un caso donde un púlsar tiene a otro púlsar como acompañante. Hasta el momento se ha descubierto un único púlsar doble, en el año 2003, y se formó cuando la estrella compañera de un púlsar de milisegundo se convirtió en supernova, dando lugar a una nueva estrella de neutrones. Los dos púlsares se orbitan el uno al otro en un espacio tan relativamente pequeño que entrarían dentro de nuestro Sol.

El único doble púlsar detectado hasta el momento, denominado PSR J0737-3039, consiste en dos estrellas de neutrones emitiendo ondas electromagnéticas con longitud de onda de radio.

Y si nos parece extraño que un púlsar tenga a una estrella o a otro púlsar como acompañante, imagínense lo exótico que es que existan púlsares que, aún tras la explosión de supernova que los convirtió en lo que son, tengan planetas de acompañantes. Sin duda este es el lugar más raro para encontrar planetas, puesto que si la estrella original tenía un sistema planetario, lo más probable es que fuese completamente destruido en la explosión de supernova. Se cree que tras la destrucción de los planetas originales que orbitaban a la estrella, nuevos planetas pudieron formarse a partir de los escombros y desechos producidos por la explosión, y éstos nuevos planetas fueron capturados por la gravedad del púlsar, formando un nuevo sistema planetario con un púlsar como estrella principal.

Representación artística de un sistema planetario orbitando en torno a un púlsar.

Para concluir, ahora podemos entender un poco mejor porque dije al principio del artículo que éstos tres objetos son tres caras de una misma moneda. Una estrella de neutrones es el exótico remanente que deja una estrella masiva tras su muerte; un púlsar es otra forma de llamar a la estrella de neutrones, refiriéndose particularmente a sus propiedades de rotación y emisión de energéticos pulsos de radiación; y finalmente un magnetar es un caso particular de púlsar donde el campo magnético es inimaginablemente intenso. Todo esto pone en evidencia cómo la naturaleza y el universo pueden sorprendernos, confundirnos y maravillarnos con sus increíbles creaciones, al extremo de crear objetos tan matemáticamente precisos que nos cuesta trabajo interpretarlos como eventos naturales. En el próximo artículo analizaremos objetos aún más extremos y bizarros, algunos de los cuales aún siguen desafiando a la comprensión que tenemos de las leyes físicas del universo.