¿Qué tamaño tiene una estrella de neutrones? Las estimaciones anteriores variaban de ocho a 16 kilómetros. Los astrofísicos de la Universidad Goethe de Frankfurt y la FIAS ahora han logrado determinar el tamaño de las estrellas de neutrones con una precisión de 1,5 kilómetros utilizando un elaborado enfoque estadístico respaldado por datos de la medición de ondas gravitacionales. El informe de los investigadores aparece en la edición actual de Cartas de revisión física .

Las estrellas de neutrones son los objetos más densos del universo, con una masa mayor que la de nuestro sol compactada en una esfera relativamente pequeña cuyo diámetro es comparable al de la ciudad de Frankfurt. En realidad, esto es solo una estimación aproximada, sin embargo. Durante más de 40 años, la determinación del tamaño de las estrellas de neutrones ha sido un santo grial en física nuclear cuya solución proporcionaría información importante sobre el comportamiento fundamental de la materia a densidades nucleares.

Los datos de la detección de ondas gravitacionales de la fusión de estrellas de neutrones (GW170817) hacen una contribución importante para resolver este rompecabezas. A finales de 2017, Profesor Luciano Rezzolla, Instituto de Física Teórica de la Universidad Goethe de Frankfurt y FIAS, junto con sus estudiantes Elias Most y Lukas Weih ya explotaron estos datos para responder una pregunta de larga data sobre la masa máxima que las estrellas de neutrones pueden soportar antes de colapsar en un agujero negro, un resultado que también fue confirmado por varios otros grupos alrededor del mundo. Tras este primer resultado importante, el mismo equipo, con la ayuda del profesor Juergen Schaffner-Bielich, ha trabajado para establecer restricciones más estrictas sobre el tamaño de las estrellas de neutrones.

El quid de la cuestión es que no se conoce la ecuación de estado que describe la materia dentro de las estrellas de neutrones. Por lo tanto, los físicos decidieron seguir otro camino:seleccionaron métodos estadísticos para determinar el tamaño de las estrellas de neutrones dentro de límites estrechos. Para establecer los nuevos límites, calcularon más de dos mil millones de modelos teóricos de estrellas de neutrones resolviendo las ecuaciones de Einstein que describen el equilibrio de estas estrellas relativistas y combinaron este gran conjunto de datos con las limitaciones derivadas de la detección de ondas gravitacionales GW170817.

"Un enfoque de este tipo no es inusual en la física teórica, "dice Rezzolla, agregando:"Al explorar los resultados para todos los valores posibles de los parámetros, podemos reducir nuestras incertidumbres de forma eficaz ". Como resultado, los investigadores pudieron determinar el radio de una estrella de neutrones típica dentro de un rango de solo 1,5 km:se encuentra entre 12 y 13,5 kilómetros, un resultado que puede refinarse aún más mediante futuras detecciones de ondas gravitacionales.

"Sin embargo, hay un giro en todo esto, como las estrellas de neutrones pueden tener soluciones gemelas, ", dice Schaffner-Bielich. De hecho, es posible que a densidades ultra altas, la materia cambia drásticamente sus propiedades y sufre una llamada "transición de fase". Esto es similar a lo que le sucede al agua cuando se congela y pasa de un estado líquido a un sólido. En el caso de las estrellas de neutrones, esta transición se especula para convertir la materia ordinaria en "materia de quarks, "producir estrellas que tendrán exactamente la misma masa que su estrella de neutrones" gemela, "pero será mucho más pequeño y, en consecuencia, más compacto.

Si bien no hay una prueba definitiva de su existencia, son soluciones plausibles y los investigadores de Frankfurt han tenido en cuenta esta posibilidad, a pesar de las complicaciones adicionales que implican las estrellas gemelas. Este esfuerzo finalmente valió la pena, ya que sus cálculos revelaron un resultado inesperado:las estrellas gemelas son estadísticamente raras y no se pueden deformar mucho durante la fusión de dos de esas estrellas. Este es un hallazgo importante, ya que ahora permite a los científicos descartar potencialmente la existencia de estos objetos muy compactos. Por lo tanto, las futuras observaciones de ondas gravitacionales revelarán si las estrellas de neutrones tienen gemelos exóticos.