Astrónomos argentinos estudian púlsares que podrían abrir una nueva ventana a la física de superfluidos

En una calle lateral poco transitada, a una hora al sur de Buenos Aires, dos antenas de radio de 30 metros de antigüedad, de medio siglo de antigüedad, apuntan hacia arriba. Separados por sólo 120 metros (aproximadamente del tamaño de un campo de fútbol), están monitoreando activamente el cielo del sur en busca de estrellas de neutrones que giran rápidamente y que emiten pulsos regulares como si fueran un reloj. 

Estas estrellas se logran ver mejor en el espectro de radio y es por eso que los radiotelescopios son esenciales para estudiarlas. Las emisiones de estos llamados púlsares son una firma de la radiación producida por los campos magnéticos de la estrella de neutrones y las partículas cargadas que se mueven casi a la velocidad de la luz.

Como parte del Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR), los antiguos telescopios fueron renovados recientemente con actualizaciones tanto mecánicas como de software. Y desde 2019, están a la vanguardia de una campaña en curso denominada Monitoreo Pulsar en Argentina (PuMA), que lleva el nombre de la especie local de puma.

Mediante una colaboración entre el IAR y el Centro de Relatividad Computacional y Gravitación (en el Instituto de Tecnología de Rochester en los EE. UU.), los telescopios del IAR tienen una clara ventaja sobre radiotelescopios similares en el hemisferio norte que los investigadores buscan aprovechar. Esto se debe a que muchos de los púlsares objetivo, incluido Vela, son mejor visibles desde el hemisferio sur.

Durante una visita al sitio a principios de este mes, Guillermo Gancio, jefe del Observatorio IAR y Ezequiel Zubieta, estudiante de doctorado en astronomía de la Universidad de La Plata, que ahora trabaja en el IAR, me dijeron que el equipo está monitoreando actualmente diez púlsares. cuatro de los cuales se pueden observar diariamente con ambas antenas. Y a diferencia de los telescopios ópticos, este observatorio funciona las 24 horas del día, los 7 días de la semana y sólo se ve interrumpido por episodios de mal tiempo. O interferencias de radio locales particularmente graves que normalmente pueden eliminarse fácilmente de sus conjuntos de datos utilizando filtros de software de última generación.

Pero el misterio sobre el cual Gancio y Zubieta están más interesados se centra alrededor de los casi 200 púlsares que se han observado y experimentan al menos una falla.

¿Qué es un problema técnico?

Los fallos se manifiestan como un aumento abrupto en la frecuencia de rotación; El púlsar simplemente comienza a girar más rápido y luego vuelve al estado en el que estaba antes, dice Zubieta. Ese reloj perfecto por algún motivo pierde el rumbo. 

El púlsar de Vela (PSR B0833 −45 o PSR J0835 −4510), que se cree que explotó como una supernova tras el colapso del núcleo de tipo II hace unos 12.000 años, se encuentra a unos 800 años luz de distancia, en la constelación austral de Vela. Y es uno de los objetivos principales de la un examen intensivo del cielo denominado PuMA. Se cree que sufre una falla cada dos o tres años y se han observado casi dos docenas de fallas de este tipo en los últimos 50 años.

"Si se observa el púlsar en el momento en que ocurren los fallos, se puede obtener mucha más información sobre lo que sucede dentro del púlsar," dice Zubieta. Vela podría sufrir un problema en cualquier momento, agrega.

Estos aumentos en la frecuencia de rotación probablemente estén relacionados con el comportamiento de la materia en el interior de las estrellas de neutrones, afirma Zubieta. La materia dentro de las estrellas de neutrones es tan densa y tan comprimida que se encuentra en un estado de la materia que llamamos superfluido.

Dentro del púlsar hay una sopa indescriptible de materia, toda triturada de maneras que aún no podemos empezar a comprender. Pero se cree que sus movimientos dentro de la estrella de neutrones forman vórtices que pueden ser una explicación de las fallas de los púlsares.

Es difícil creer que el púlsar de Vela y los restos de supernova que lo rodean alguna vez fueron parte de una estrella normal que quema hidrógeno.

Pero antes de que Vela se convirtiera en supernova, ¿Cómo comenzó su vida?

La naturaleza de las estrellas precursoras de las supernovas es muy difícil de adivinar, me dijo Gloria Dubner, astrofísica jubilada de la Universidad de Buenos Aires y del CONICET (el instituto nacional de investigaciones científicas de Argentina), mientras tomaba un café en Buenos Aires. "En el caso de Vela, probablemente se trataba de una estrella de entre 8 y 10 masas solares. Probablemente explotó dentro de una cavidad creada en el medio interestelar por el viento de una estrella masiva", agrega Dubner.

Cuando el núcleo de una estrella evolucionada comienza a fusionar silicio en hierro y, en lugar de liberar energía, toma energía de la estrella y ya nada puede detener la gravedad.

"Es como si la materia cayera sobre sí misma y la estrella colapsa en tan sólo un segundo", dice Dubner. Una vez que el núcleo alcanza una densidad crítica, la gravedad es dominada por la fuerza nuclear que se vuelve repulsiva y parte de la materia es expulsada violentamente hacia afuera. "Un enorme flujo de neutrinos deja a la estrella llevándose consigo alrededor del 99% de su energía", explica Dubner.

Lo que queda es una estrella de neutrones compacta

Todo el magnetismo de una estrella de 1,4 masa solar está ahora comprimido en una estrella de neutrones de no más de 15 km de diámetro; ni siquiera la distancia de un extremo a otro de una ciudad importante.

"Desde los polos de la estrella de neutrones fluyen campos magnéticos y partículas relativistas, creando haces de radiación. Si estos rayos apuntan hacia la Tierra, se ve un pulso, como un faro", revela Dubner

La esperanza de toda esta investigación es que estas observaciones diarias de púlsares conduzcan a una mejor comprensión de la astrofísica extrema. Y tal vez incluso pueda abrir una ventana a las aplicaciones prácticas de los superfluidos aquí en la Tierra.

"En la Tierra se crearon superfluidos en el laboratorio, pero están hechos de electrones", aclara Zubieta. La diferencia es que en las estrellas de neutrones el superfluido estaría formado por neutrones. "Actualmente no es posible crear superfluido de neutrones en un laboratorio y no estamos seguros de si será posible en el futuro. Pero los fallos podrían ser una forma de verificar la existencia de este superfluido de neutrones", espera Zubieta.

¿En cuanto a la astrofísica pura?

Comprender este tipo de materia nos ayudaría a comprender mejor la emisión de radiación, la estabilidad y evolución de las estrellas de neutrones e incluso los procesos de las supernovas, concluye Zubieta.