Tres estrelles de neutrons detectades pels telescopis XMM-Newton de l’ESA i Chandra de la NASA són entre 10 i 100 vegades més fredes que altres de la seva edat. Aquesta troballa invalida al voltant del 75% dels models d’estrelles de neutrons coneguts. L’ICE-CSIC lidera l’estudi publicat a Nature Astronomy.
Els observatoris de raigs X XMM-Newton de l’ESA i Chandra de la NASA han detectat tres estrelles de neutrons joves inusualment fredes per a la seva edat. En comparar les propietats amb diferents models d’estrelles de neutrons, un equip d’astrònoms liderat per l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), en col·laboració amb l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) i la Universitat d’Alacant, ha conclòs en un estudi publicat a Nature Astronomy que les baixes temperatures d’aquestes desqualifiquen al voltant del 75% dels models coneguts. Aquest és un gran pas cap al descobriment de “l’equació d’estat” que descrigui totes les estrelles de neutrons, amb implicacions importants per a les lleis fonamentals de l’univers.
Matèria comprimida a l’extrem
Després dels forats negres estel·lars, els estels de neutrons són els objectes més densos de l’univers. Cada estrella de neutrons és el nucli comprimit d’un estel gegant que va quedar després que l’estel explotés en una supernova. Després de quedar-se sense combustible, el nucli de l’estrella fa implosió sota la força de la gravetat mentre les capes exteriors són llançades a l’espai.
La matèria al centre d’una estrella de neutrons està tan comprimida que la comunitat científica encara no sap quina forma adopta. Les estrelles de neutrons reben el seu nom pel fet que, sota aquesta immensa pressió, fins i tot els àtoms col·lapsen: els electrons es fusionen amb els nuclis atòmics, convertint els protons en neutrons. No obstant això, podria ser encara més estrany, ja que la calor i la pressió extremes poden estabilitzar partícules més exòtiques que no sobreviuen en cap altre lloc, o possiblement fondre partícules en una mena de sopa dels seus quarks constituents girant en espiral.
El que passa a l’interior d’una estrella de neutrons es descriu per l’anomenada “equació d’estat”, un model teòric que descriu processos físics que poden passar dins d’una estrella de neutrons. El problema és que els científics i les científiques encara no saben quin dels centenars de models d’equacions d’estat possibles és correcte. Mentre que el comportament de les estrelles de neutrons individualment pot dependre de propietats com la massa o la velocitat de gir, totes les estrelles de neutrons s’han de regir per la mateixa equació d’estat.
Massa fredes
En analitzar les dades de les missions XMM-Newton de l’ESA i Chandra de la NASA, l’equip ha descobert tres estrelles de neutrons excepcionalment joves i fredes que són entre 10 i 100 vegades més fredes que altres de la mateixa edat. Comparant les propietats amb les velocitats de refredament predites per diferents models, l’equip conclou que l’existència d’aquestes tres estrelles de neutrons descarta la majoria de les equacions d’estat proposades.
“La curta edat i la freda temperatura de la superfície d’aquestes tres estrelles de neutrons només es poden explicar apel·lant a un mecanisme de refredament ràpid. Atès que un refredament millorat només es pot activar mitjançant determinades equacions d’estat, això ens permet excloure una part significativa dels possibles models”, explica l’astrofísica Nanda Rea, el grup de recerca de la qual ha liderat la recerca a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC).
Descobrir la veritable equació d’estat de l’estrella de neutrons també té implicacions importants per a les lleis fonamentals de l’univers. És sabut que els investigadors i investigadores en física encara no han pogut unir la teoria de la relativitat general (que descriu els efectes de la gravetat a grans escales) amb la mecànica quàntica (que descriu el que passa a escala de les partícules). Les estrelles de neutrons són el millor camp de proves per a això, ja que tenen densitats i gravitació molt més grans que qualsevol cosa que pugui ser creada a la Terra.
Unint forces: quatre passos cap al descobriment
Les tres particulars estrelles de neutrons són tan fredes que són massa febles perquè les vegin la majoria dels observatoris de raigs X. “La magnífica sensibilitat de XMM-Newton i Chandra va fer possible no només detectar aquestes estrelles de neutrons, sinó també recol·lectar suficient llum per determinar-ne les temperatures i altres propietats”, afirma Camille Diez, investigadora de l’ESA que treballa amb dades de XMM-Newton.
Tot i això, les mesures van ser només el primer pas per poder treure conclusions sobre el que aquests singulars estrelles signifiquen per a l’equació d’estat de les estrelles de neutrons. Per això, l’equip de recerca de Nanda Rea a l’ICE-CSIC va combinar l’experiència dels investigadors Alessio Marino, Clara Dehman i Konstantinos Kovlakas, així com Daniele Viganò, coautor del codi de simulacions de camps magnètics.
L’investigador postdoctoral de l’ICE-CSIC i principal autor de l’estudi, Alessio Marino, va liderar l’estudi de les propietats físiques de les estrelles de neutrons: “Tres d’aquestes estrelles de neutrons són molt més fredes que altres d’edats similars. Aquesta va ser una gran pista que alguna cosa estranya podria estar passant dins d’aquests objectes, cosa que hem de comprendre”, afirma. L’equip va poder deduir les temperatures de les estrelles de neutrons a partir dels raigs X emesos des de les superfícies. També va obtenir una indicació precisa de les seves edats per les mides i velocitats de les restes de supernova circumdants.
Després, Clara Dehman, investigadora postdoctoral de la Universitat d’Alacant, va liderar el càlcul de les corbes de refredament de les estrelles de neutrons per a les equacions d’estat que incorporen diferents mecanismes de refredament. Això implica representar allò que prediu cada model sobre com canvia amb el temps la lluminositat d’una estrella de neutrons, una característica directament relacionada amb la seva temperatura. La forma d’aquestes corbes depèn de diverses propietats diferents d’una estrella de neutrons, i no totes es poden determinar amb precisió a partir d’observacions. Per això, l’equip va calcular les corbes de refredament per a un rang de possibles masses d’estrelles de neutrons i intensitats de camps magnètics.
“Com que les estrelles de neutrons més massives tenen més partícules, podrien desencadenar-se processos especials que fan que les estrelles de neutrons es refredin més ràpidament”, assenyala la coautora Dehman, que va treballar en aquest estudi quan realitzava la seva tesi doctoral a l’ICE-CSIC . “És com tenir algunes de les respostes d’uns mots encreuats ja disponibles: fa que completar la resta de respostes sigui molt més fàcil”, afegeix.
Finalment, una anàlisi estadística liderada per Konstantinos Kovlakas, investigador de l’ICE-CSIC i de l’IEEC, va completar l’estudi. L’ús de machine learning per determinar si les corbes de refredament simulades s’alineen bé amb les propietats de les tres estrelles de neutrons descobertes va demostrar que les equacions d’estat sense un mecanisme de refredament ràpid no tenen cap possibilitat de coincidir amb les dades.
“Si som capaços d’eliminar algunes de les possibilitats sobre el que hi ha dins d’una estrella de neutrons, aleshores la pregunta següent que ens hem de fer és: què en queda?”, apunta Kovlakas.
“La recerca de les estrelles de neutrons inclou moltes disciplines científiques, que van des de la física de partícules fins a les ones gravitacionals. L’èxit d’aquest treball demostra com és de fonamental el treball en equip per avançar en la nostra comprensió de l’univers”, conclou Nanda Rea.
Més informació
‘Constraints on the dense matter equation of state from young and cold isolated neutron stars’, por Alessio Marino, Clara Dehman, Konstantinos Kovlakas, Nanda Rea, José A. Pons y Daniele Viganò, publicado en Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y
Impressió artística d’una estrella de neutrons, mostrada com una esfera blava i vermella brillant amb trets semblants a espurnes que en surten volant. Diverses línies blaves de camp magnètic connecten els dos pols de l’esfera. L’esfera està envoltada per un núvol blau transparent i amb un núvol vermell als costats de la imatge. Al fons de la imatge es veuen estrelles. Crèdits: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al.