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    NICER de la NASA prueba la capacidad de compresión de las estrellas de neutrones

    Explorador de composición interior de estrellas de neutrones de la NASA (NICER), en el centro, es un telescopio de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional. Crédito:NASA

    La materia en el corazón de las estrellas de neutrones, densos remanentes de estrellas masivas que explotaron, toma la forma más extrema que podemos medir. Ahora, gracias a los datos del Explorador de composición interior de estrellas de neutrones (NICER) de la NASA, un telescopio de rayos X en la Estación Espacial Internacional, Los científicos han descubierto que esta materia misteriosa es menos comprimible de lo que predijeron algunos físicos.

    El hallazgo se basa en las observaciones de NICER de PSR J0740 + 6620 (J0740 para abreviar), la estrella de neutrones más masiva conocida, que se encuentra sobre 3, A 600 años luz de distancia, en la constelación norteña Camelopardalis. J0740 está en un sistema estelar binario con una enana blanca, el remanente refrescante de una estrella similar al Sol, y gira 346 veces por segundo. Las observaciones anteriores sitúan la masa de la estrella de neutrones en aproximadamente 2,1 veces la del Sol.

    "Estamos rodeados de materia normal, el material de nuestra experiencia diaria, pero hay muchas cosas que no sabemos sobre cómo se comporta la materia, y como se transforma, en condiciones extremas, "dijo Zaven Arzoumanian, el líder científico de NICER en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Al medir los tamaños y masas de las estrellas de neutrones con NICER, estamos explorando materia a punto de implosionar en un agujero negro. Una vez que eso suceda, ya no podemos estudiar la materia porque está oculta por el horizonte de sucesos del agujero negro ".

    Arzoumanian y los miembros del equipo NICER presentaron sus hallazgos el sábado, 17 de abril en una reunión virtual de la American Physical Society, y los artículos que describen los hallazgos y sus implicaciones están siendo sometidos a revisión científica.

    Al final de su vida una estrella muchas veces más pesada que el Sol se queda sin combustible en su núcleo, se derrumba por su propio peso, y estalla en una supernova. Las más pesadas de estas estrellas en explosión dejan agujeros negros. Los más ligeros nacen estrellas de neutrones, que empacan más masa que el Sol en una esfera tan ancha como la isla de Manhattan de la ciudad de Nueva York es larga.

    Los científicos creen que las estrellas de neutrones tienen capas. En la superficie una fina atmósfera de átomos de hidrógeno o helio descansa sobre una corteza sólida de átomos más pesados. En la corteza el rápido aumento de la presión quita los electrones de los núcleos atómicos. Más profundo en el núcleo exterior, los núcleos se dividen en neutrones y protones. La inmensa presión aplasta los protones y los electrones para formar un mar de neutrones en su mayoría que eventualmente se empaquetan hasta dos veces la densidad de un núcleo atómico.

    Observe cómo el Explorador de composición interior de estrellas de neutrones (NICER) de la NASA está ayudando a los físicos a escudriñar los corazones de las estrellas de neutrones, los restos de estrellas masivas que explotaron en supernovas. Los científicos quieren explorar la naturaleza de la materia dentro de estos objetos, donde existe a punto de colapsar en agujeros negros. Para hacerlo los científicos necesitan mediciones precisas de las masas y tamaños de las estrellas de neutrones, que NICER y otros esfuerzos ahora están haciendo posible. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

    Pero, ¿qué forma toma la materia en el núcleo interno? ¿Son los neutrones todo el camino hacia abajo? o los neutrones se rompen en sus propias partes constituyentes, llamados quarks?

    Los físicos se han estado planteando esta pregunta desde que Walter Baade y Fritz Zwicky propusieron la existencia de estrellas de neutrones en 1934. Para responderla, los astrónomos necesitan medidas precisas tanto de los tamaños como de las masas de estos objetos. Esto les permite calcular la relación entre la presión y la densidad en el núcleo interno de la estrella y evaluar la capacidad de compresión final de la materia.

    En los modelos tradicionales de una típica estrella de neutrones, uno con aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol, Los físicos esperan que el núcleo interno esté mayormente lleno de neutrones. La densidad más baja asegura que los neutrones permanezcan lo suficientemente separados como para permanecer intactos, y esta rigidez interna da como resultado una estrella más grande.

    En estrellas de neutrones más masivas como J0740, la densidad del núcleo interno es mucho mayor, aplastando los neutrones más juntos. No está claro si los neutrones pueden permanecer intactos en estas condiciones o si, en cambio, se descomponen en quarks. Los teóricos sospechan que se hacen añicos bajo la presión, pero quedan muchas preguntas sobre los detalles. Para obtener respuestas los científicos necesitan una medición precisa del tamaño de una estrella de neutrones masiva. Una estrella más pequeña favorecería escenarios en los que los quarks deambulan libremente en las profundidades más internas porque las partículas más pequeñas pueden empaquetarse más de cerca. Una estrella más grande sugeriría la presencia de formas más complejas de materia.

    Para obtener las medidas precisas necesarias, NICER observa estrellas de neutrones que giran rápidamente llamadas púlsares, descubierto en 1967 por Jocelyn Bell Burnell. Brillante, Se forman puntos calientes que emiten rayos X en las superficies de estos objetos. Mientras los púlsares giran, sus manchas giran dentro y fuera de la vista como los rayos de un faro, produciendo variaciones regulares en su brillo de rayos X.

    Pero los púlsares también son tan densos que su gravedad deforma el espacio-tiempo cercano, como una bola de boliche apoyada en un trampolín. Esta distorsión es lo suficientemente fuerte como para hacer que la luz del lado lejano de la estrella, luz que de otro modo no podríamos detectar, sea redirigida hacia nosotros. lo que hace que el púlsar parezca más grande de lo que realmente es. La misma masa en un paquete más pequeño produce una mayor distorsión. Este efecto puede ser tan intenso que puede evitar que los puntos calientes desaparezcan por completo a medida que giran alrededor del púlsar.

    Los científicos creen que las estrellas de neutrones tienen capas. Como se muestra en esta ilustración, el estado de la materia en sus núcleos internos sigue siendo un misterio. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio de imágenes conceptuales

    Los científicos pueden aprovechar estos efectos porque NICER mide la llegada de cada radiografía a más de 100 nanosegundos. Al rastrear cómo varía el brillo de rayos X del púlsar a medida que gira, los científicos pueden reconstruir cuánto distorsiona el espacio-tiempo. Como conocen su masa, pueden traducir esta distorsión en un tamaño.

    Dos equipos utilizaron diferentes enfoques para el tamaño del modelo J0740. Un grupo dirigido por Thomas Riley y Anna Watts, investigadora postdoctoral y profesora de astrofísica en la Universidad de Amsterdam, respectivamente, estime que el púlsar tiene alrededor de 15,4 millas (24,8 kilómetros) de ancho. Un equipo dirigido por Cole Miller, profesor de astronomía en la Universidad de Maryland, College Park, encontró que J0740 tiene alrededor de 17 millas (27,4 kilómetros) de ancho. Los dos resultados se superponen significativamente dentro de sus incertidumbres, que van desde 14,2 a 17 millas (22,8 a 27,4 kilómetros) y 15,2 a 20,2 millas (24,4 a 32,6 kilómetros), respectivamente.

    Además de los datos de NICER, ambos grupos también incluyeron observaciones de rayos X del satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea que fueron útiles para contabilizar el ruido de fondo. La masa de J0740 se determinó previamente mediante mediciones de radio realizadas por científicos del Observatorio de Nanohercios de América del Norte para las ondas gravitacionales y las colaboraciones del Experimento canadiense de mapeo de la intensidad del hidrógeno.

    En 2019, Los equipos de Riley y Miller utilizaron datos de NICER para estimar tanto el tamaño como la masa del pulsar J0030 + 0451 (o J0030). Determinaron que el objeto tenía aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol y 16 millas (26 kilómetros) de ancho.

    "Nuestras nuevas mediciones del J0740 muestran que, aunque es casi un 50% más masivo que el J0030, es esencialmente del mismo tamaño, ", Dijo Watts." Eso desafía algunos de los modelos más comprimibles de núcleos de estrellas de neutrones, incluyendo versiones donde el interior es solo un mar de quarks. El tamaño y la masa de J0740 también plantean problemas para algunos modelos menos comprimibles que contienen solo neutrones y protones ".

    Los modelos teóricos recientes proponen algunas alternativas, como núcleos internos que contienen una mezcla de neutrones, protones, y materia exótica hecha de quarks o nuevas combinaciones de quarks. Pero todas las posibilidades deberán reevaluarse en el contexto de esta nueva información de NICER.

    La gravedad de una estrella de neutrones deforma el espacio-tiempo cercano, como una bola de boliche apoyada en un trampolín. La distorsión es lo suficientemente fuerte como para redirigir la luz del otro lado de la estrella hacia nosotros, lo que hace que la estrella parezca más grande de lo que realmente es. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR)

    "El tamaño de J0740 nos tiene a los teóricos desconcertados y emocionados, "dijo Sanjay Reddy, un profesor de física en la Universidad de Washington que estudia la materia en condiciones extremas, pero que no participó en el hallazgo. "Medidas de NICER, combinado con otras observaciones de varios mensajeros, parecen apoyar la idea de que la presión aumenta rápidamente en los núcleos masivos de estrellas de neutrones. Si bien esto desfavorece las transiciones a formas de materia más comprimibles en el núcleo, sus implicaciones aún no se han entendido completamente ".

    El equipo de Miller también determinó qué tan bien los científicos pueden estimar el tamaño de un púlsar, utilizando las mediciones J0740 y J0030 de NICER para complementar la información existente de otros púlsares pesados ​​y eventos de ondas gravitacionales, ondas espacio-temporales generadas por las colisiones de objetos masivos como estrellas de neutrones y agujeros negros.

    "Ahora conocemos el radio de una estrella de neutrones estándar, con 1,4 veces la masa del Sol, dentro de una incertidumbre del 5%, ", Dijo Miller." Es como saber el tamaño de Washington, CORRIENTE CONTINUA., a menos de un cuarto de milla. NICER no solo está reescribiendo los libros de texto sobre estrellas de neutrones, pero también revolucionando nuestra confianza en nuestras medidas de objetos que son a la vez muy distantes y muy pequeños ".

    Además de probar los límites de la materia, Las estrellas de neutrones también ofrecen una nueva forma de explorar los vastos alcances del espacio. En 2018, un equipo de científicos e ingenieros de la NASA utilizó NICER para demostrar, por primera vez, navegación completamente autónoma en el espacio utilizando púlsares, lo que podría revolucionar nuestra capacidad para pilotar naves espaciales robóticas a los confines del sistema solar y más allá.

    "NICER fue un gran compañero de tripulación, "dijo la astronauta de la NASA Christina Koch, quien se desempeñó como ingeniero de vuelo en la estación espacial desde marzo de 2019 hasta febrero de 2020, estableciendo el récord del vuelo espacial más largo realizado por una mujer. "La misión ejemplifica los mejores aspectos de la investigación de la estación. Es una ciencia fundamental innovadora, ciencia espacial, e innovación tecnológica, todo ello habilitado por el entorno y la plataforma únicos de un laboratorio en órbita ".


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