Una estrella densa y colapsada que gira 707 veces por segundo, lo que la convierte en una de las estrellas de neutrones que giran más rápido en la galaxia de la Vía Láctea, ha triturado y consumido casi toda la masa de su compañera estelar y, en el proceso, se ha convertido en la estrella de neutrones más pesada. observado hasta la fecha.

Pesar esta estrella de neutrones que establece récords, que encabeza las tablas con 2,35 veces la masa del sol, ayuda a los astrónomos a comprender el extraño estado cuántico de la materia dentro de estos objetos densos que, si se vuelven mucho más pesados ​​que eso, se colapsan por completo y desaparecen como un agujero negro.

"Sabemos aproximadamente cómo se comporta la materia en densidades nucleares, como en el núcleo de un átomo de uranio", dijo Alex Filippenko, profesor distinguido de astronomía en la Universidad de California, Berkeley. "Una estrella de neutrones es como un núcleo gigante, pero cuando tienes una masa solar y media de estas cosas, que son alrededor de 500.000 masas terrestres de núcleos unidos entre sí, no está del todo claro cómo se comportarán".

Roger W. Romani, profesor de astrofísica en la Universidad de Stanford, señaló que las estrellas de neutrones son tan densas (1 pulgada cúbica pesa más de 10 mil millones de toneladas) que sus núcleos son la materia más densa del universo aparte de los agujeros negros, que debido a que están ocultos detrás su horizonte de sucesos es imposible de estudiar. La estrella de neutrones, un púlsar designado como PSR J0952-0607, es el objeto más denso a la vista desde la Tierra.

La medición de la masa de la estrella de neutrones fue posible gracias a la extrema sensibilidad del telescopio Keck I de 10 metros en Maunakea, Hawái, que solo pudo registrar un espectro de luz visible de la estrella compañera que brilla intensamente, ahora reducido a del tamaño de un gran planeta gaseoso. Las estrellas están a unos 3.000 años luz de la Tierra en dirección a la constelación Sextans.

Descubierto en 2017, PSR J0952-0607 se conoce como púlsar de "viuda negra", una analogía con la tendencia de las arañas viudas negras hembra de consumir al macho mucho más pequeño después del apareamiento. Filippenko y Romani han estado estudiando los sistemas de la viuda negra durante más de una década, con la esperanza de establecer el límite superior de cuán grandes pueden crecer las estrellas de neutrones/púlsares.

"Al combinar esta medida con las de varias otras viudas negras, mostramos que las estrellas de neutrones deben alcanzar al menos esta masa, 2,35 más o menos 0,17 masas solares", dijo Romani, profesor de física en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford. y miembro del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas. "A su vez, esto proporciona algunas de las restricciones más fuertes sobre la propiedad de la materia en varias veces la densidad observada en los núcleos atómicos. De hecho, este resultado excluye muchos modelos populares de física de la materia densa".

Si 2,35 masas solares está cerca del límite superior de las estrellas de neutrones, dicen los investigadores, entonces es probable que el interior sea una sopa de neutrones, así como de quarks arriba y abajo, los constituyentes de los protones y neutrones normales, pero no de materia exótica. como quarks "extraños" o kaones, que son partículas que contienen un quark extraño.

"Una masa máxima alta para las estrellas de neutrones sugiere que es una mezcla de núcleos y sus quarks arriba y abajo disueltos hasta el núcleo", dijo Romani. "Esto excluye muchos estados propuestos de la materia, especialmente aquellos con una composición interior exótica".

Romani, Filippenko y el estudiante graduado de Stanford Dinesh Kandel son coautores de un artículo que describe los resultados del equipo que ha sido aceptado para su publicación por The Astrophysical Journal Letters .

¿Qué tamaño pueden alcanzar?

Los astrónomos generalmente están de acuerdo en que cuando una estrella con un núcleo de más de 1,4 masas solares colapsa al final de su vida, forma un objeto denso y compacto con un interior bajo una presión tan alta que todos los átomos se aplastan para formar un mar de neutrones. y sus constituyentes subnucleares, los quarks. Estas estrellas de neutrones nacen girando y, aunque son demasiado tenues para verse en la luz visible, se revelan como púlsares, que emiten haces de luz (ondas de radio, rayos X o incluso rayos gamma) que destellan en la Tierra a medida que giran, al igual que la rotación. haz de luz de un faro.

Los púlsares "ordinarios" giran y parpadean aproximadamente una vez por segundo, en promedio, una velocidad que puede explicarse fácilmente dada la rotación normal de una estrella antes de colapsar. Pero algunos púlsares se repiten cientos o hasta 1000 veces por segundo, lo que es difícil de explicar a menos que la materia haya caído sobre la estrella de neutrones y la haya hecho girar. Pero para algunos púlsares de milisegundos, no se ve ningún compañero.

Una posible explicación para los púlsares de milisegundos aislados es que cada uno alguna vez tuvo un compañero, pero lo redujo a nada.

"El camino evolutivo es absolutamente fascinante. Doble signo de exclamación", dijo Filippenko. "A medida que la estrella compañera evoluciona y comienza a convertirse en una gigante roja, el material se derrama sobre la estrella de neutrones y eso la hace girar. Al girar, ahora se vuelve increíblemente energizada y un viento de partículas comienza a salir de la estrella de neutrones. estrella. Ese viento luego golpea la estrella donante y comienza a desprender material, y con el tiempo, la masa de la estrella donante disminuye a la de un planeta, y si pasa más tiempo, desaparece por completo. Entonces, así es como podrían ser los púlsares de milisegundos solitarios. formado. No estaban solos para empezar, tenían que estar en un par binario, pero gradualmente evaporaron a sus compañeros, y ahora están solos".

El púlsar PSR J0952-0607 y su débil estrella compañera respaldan esta historia de origen de los púlsares de milisegundos.

"Estos objetos parecidos a planetas son los restos de estrellas normales que han contribuido con la masa y el momento angular, haciendo girar a sus púlsares compañeros en períodos de milisegundos y aumentando su masa en el proceso", dijo Romani.

"In a case of cosmic ingratitude, the black widow pulsar, which has devoured a large part of its mate, now heats and evaporates the companion down to planetary masses and perhaps complete annihilation," said Filippenko.

Spider pulsars include redbacks and tidarrens

Finding black widow pulsars in which the companion is small, but not too small to detect, is one of few ways to weigh neutron stars. In the case of this binary system, the companion star—now only 20 times the mass of Jupiter—is distorted by the mass of the neutron star and tidally locked, similar to the way our moon is locked in orbit so that we see only one side. The neutron star-facing side is heated to temperatures of about 6,200 Kelvin, or 10,700 degrees Fahrenheit, a bit hotter than our sun, and just bright enough to see with a large telescope.

Filippenko and Romani turned the Keck I telescope on PSR J0952-0607 on six occasions over the last four years, each time observing with the Low Resolution Imaging Spectrometer in 15-minute chunks to catch the faint companion at specific points in its 6.4-hour orbit of the pulsar. By comparing the spectra to that of similar sun-like stars, they were able to measure the orbital velocity of the companion star and calculate the mass of the neutron star.

Filippenko and Romani have examined about a dozen black widow systems so far, though only six had companion stars bright enough to let them calculate a mass. All involved neutron stars less massive than the pulsar PSR J0952-060. They're hoping to study more black widow pulsars, as well as their cousins:redbacks, named for the Australian equivalent of black widow pulsars, which have companions closer to one-tenth the mass of the sun; and what Romani dubbed tidarrens—where the companion is around one-hundredth of a solar mass—after a relative of the black widow spider. The male of this species, Tidarren sisyphoides, is about 1% of the female's size.

"We can keep looking for black widows and similar neutron stars that skate even closer to the black hole brink. But if we don't find any, it tightens the argument that 2.3 solar masses is the true limit, beyond which they become black holes," Filippenko said.

"This is right at the limit of what the Keck telescope can do, so barring fantastic observing conditions, tightening the measurement of PSR J0952-0607 likely awaits the 30-meter telescope era," added Romani.

Other co-authors of the ApJ Letters paper are UC Berkeley researchers Thomas Brink and WeiKang Zheng. + Explora más

Two millisecond pulsars detected in globular cluster NGC 6440