Se comprueba el estado de superfluidez en la estrella de neutrones de Cassiopeia A

• La conclusión, producto del análisis de las observaciones realizadas a lo largo de 10 años con el telescopio de rayos X Chandra

• La superfluidez en las estrellas de neutrones acentúa la emisión de neutrinos y su rápido enfriamiento

• El modelo mínimo de enfriamiento pasa la prueba para explicar la evolución térmica de las estrellas de neutrones

Aunque por más de 50 años se ha teorizado sobre la naturaleza física de las estrellas de neutrones, es hasta ahora que dos grupos independientes —el primero lidereado por Dany Page del Instituto de Astronomía de la UNAM y sus colegas*, y el segundo grupo conformado por Peter S. Shternin del Ioffe Physical Technical Institute, en St. Petersburgo, Rusia y sus colaboradores**— comprueban con observaciones el estado de superfluidez en una estrella de neutrones.

Remanente de supernova Cassiopeia A, foto: Chandra, NASA

La estrella de neutrones ubicada al centro del remanente de la supernova Cassiopeia A, en la constelación del mismo nombre, fue descubierta en 1999 cuando el telescopio satelital de rayos X, Chandra apuntó por vez primera al cielo. Este remanente es de las fuentes de rayos X más interesantes por su proximidad al Sistema Solar, a unos 11,000 años luz de distancia, y por su juventud, pues se estima que la explosión sucedió hace unos 330 años, lo que hace a su estrella, apodada Cas A, candidata idónea para el estudio de este tipo de fuentes energéticas.

Las estrellas de neutrones son producto de la explosión en supernova de estrellas gigantes que expulsan violentamente al final de su vida sus capas más externas, dejando al centro un núcleo superdenso que en ocasiones puede convertirse en agujero negro. Se trata de objetos que revelan una amplia fenomenología y cuya naturaleza desafía nuestra imaginación. Poseen masas comparables a la del Sol, concentradas en una decena de kilómetros que rota a altísimas velocidades, dando hasta 600 vueltas por segundo.

Estrella de neutrones Cas A ubicada al centro del remanente de supernova Cassiopeia A, foto: Chandra, NASA

Además de encontrarse a temperaturas de más de 500 millones de grados (el Sol tiene unos 15 millones de grados en su núcleo), el campo gravitacional al interior de estas estrellas es millones de millones de veces más intenso que el de la Tierra, alcanzando densidades del orden de mil millones de toneladas por centímetro cúbico —comprimida a esta densidad, la Ciudad de México cabría dentro de una cucharita. En estas condiciones, los átomos se rompen, y su núcleos fusionan, formando lo que se conoce como un líquido cuántico dando lugar a posibles fenómenos de lo más extraños como puede ser un plasma de partículas elementales llamadas quarks o un líquido superfluido de neutrones.

La estrella de neutrones Cas A concentra la masa del Sol en un diámetro de unos 20 km. Su núcleo interno es un superfluido de neutrones. Imagen: Dany Page, IA-UNAM

La superfluidéz ha sido producida en laboratorio a muy bajas temperaturas, de unos cuantos grados Kelvin, y se caracteriza por la ausencia total de viscosidad, de manera que en un tubo cerrado, un superfluído correría ininterrumpidamente sin perder energía por fricción. En entrevista, Dany Page explica que la superfluidéz es posible a altas temperaturas gracias a la enorme densidad y alta energía del sistema.

Por otro lado, el tiempo que las estrellas de neutrones permanecen visibles es relativamente corto, alrededor de un millón de años, pues tienen una taza alta de enfriamiento debida a la emisión térmica de radiación de la superficie y a una gran emisión de neutrinos (partículas subatómicas sin carga). “La emisión de neutrinos depende de manera muy notable del tipo de materia presente en el núcleo interno de la estrella. Cada modelo de materia densa también nos permite hacer predicciones sobre la temperatura de la estrella en función del tiempo transcurrido desde su formación, y la comparación de estas predicciones con los datos abre la posibilidad de eliminar algunos modelos teóricos”

Diez años después del descubrimiento de la estrella Cas A, dos astrónomos, Craig Heinke y Wynn Ho se dieron cuenta de que la superficie de la estrella se estaba enfriando rápidamente. Fue entonces cuando el Dr. Page cayó en cuenta de que dicho comportamiento encajaba con uno solo de los múltiples modelos existentes de evolución térmica de estrellas de neutrones: el Modelo Mínimo de Enfriamiento, descartando diversos procesos exóticos.

Se trata de un modelo conservador, “pesimista”, que supone que no hay nuevas formas de materia como quarks extraños en el interior de las estrellas de neutrones, y que en éstas sólo se encuentran algunos protones y electrones, y gran cantidad de neutrones acomodados en pares y en estado de superfluidez.

“Con las observaciones de Chandra, pudimos medir el parámetro más importante para este modelo mínimo que es cuándo y a qué temperatura los neutrones se vuelven superfluidos.” Antes de tener estos datos, estos parámetros eran libres, dejando la posibilidad de acomodar muchas teorías a las diversas combinaciones posibles de temperatura, edad y densidad de las estrellas de neutrones. “Con los valores apropiados, el modelo mínimo funciona. Si la temperatura es más alta o más baja, entonces no funciona el modelo mínimo. La razón de enfriamiento de esta estrella es una firma característica de que está ocurriendo la superfluidez ahora mismo. Lo estamos viendo en tiempo real.”

“En un artículo anterior, de 2009, proponemos una temperatura crítica para que se de la superfluidez del orden de 500 millones de grados kelvin, (0.5 x 109oK) necesaria para que el modelo mínimo funcione. Dada la edad de la estrella de Cassiopea A y las observaciones de su temperatura encontramos la combinación justa que necesitábamos.”

Estos resultados confirman nuestro entendimiento de las estrellas de neutrones no exóticas, y permitirá distinguir objetos exóticos con mayor confianza.

Referencias:

*Rapid Cooling of the Neutron Star in Cassiopeia A Triggered by Neutron Superfluidity in Dense Matter.
Dany Page,1 Madappa Prakash,2 James M. Lattimer3 y Andrew W. Steiner4

1Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México, 2Department of Physics and Astrononmy, Ohio University, USA 3Department of Physics and Astronomy, State University of New York at Stony Brook, USA, 4Joint Institute for Nuclear Astrophysics, National Superconducting Cyclotron Laboratory and, Department of Physics and Astrononmy, Michigan State University, USA

http://arxiv.org/abs/1011.6142

**Cooling neutron star in the Cassiopeia A supernova remnant: Evidence for superfluidity in the core
Peter S. Shternin1⋆, Dmitry G. Yakovlev1, Craig O. Heinke2, Wynn C. G. Ho3†, Daniel J. Patnaude4

1Ioffe Physical Technical Institute, St. Petersburg, Russia 2Department of Physics, University of Alberta, Canada 3School of Mathematics, University of Southampton, United Kingdom, 4Smithsonian Astrophysical Observatory, Cambridge, USA.

http://arxiv.org/abs/1012.0045