Pronto podremos “ver” el interior de una estrella de neutrones y descubrir qué materia extrema gobernada por una física exótica se esconde allí, gracias a la huella de las interacciones de marea en las ondas gravitacionales emitidas por pares de estrellas de neutrones que giran en espiral hacia una fusión explosiva.
“Una esperanza es que podamos obtener alguna información sobre la ecuación de estado de la estrella de neutrones en las densidades que se encuentran en el núcleo interno de una estrella de neutrones”, dijo en un comunicado Nicolás Yunes de la Universidad de Illinois, quien dirigió la investigación. “¿Existe realmente un núcleo de quark, como algunos han afirmado recientemente? ¿Se están produciendo transiciones de fase en su interior que aún no conocemos?”
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Sin embargo, en las profundidades del interior de una estrella de neutrones, cerca de su núcleo, las cosas podrían ser aún más extrañas. La presión gravitacional podría ser tan extrema como para aplastar los neutrones hasta convertirlos en sus componentes básicos, que son partículas fundamentales llamadas quarks y gluones que normalmente unen a los quarks para formar protones y neutrones.
Los científicos llaman a este estado de la materia plasma de quarks y gluones. Este estado de la materia existió durante la primera fracción de segundo después del Big Bang, y fuera de los experimentos con aceleradores de partículas, el único otro lugar en el universo donde puede existir plasma de quarks y gluones es el interior de las estrellas de neutrones.
Si los científicos pudieran comprender el interior de las estrellas de neutrones, podrían aprender más sobre el estado de la materia inmediatamente después del Big Bang.
Las estrellas de neutrones binarias han sido consideradas durante mucho tiempo la mejor opción para descifrar lo que se esconde en su interior. Estos pares de estrellas de neutrones giran una alrededor de la otra en órbitas elípticas, acercándose cada vez más hasta que chocan y se fusionan en una kilonova. Fundamentalmente, en su espiral se produce la liberación de ondas gravitacionales.
Ahora, los científicos dirigidos por Yunes y Abhishek Hegade de la Universidad de Princeton creen haber descubierto cómo descifrar la frecuencia de estas ondas gravitacionales para interpretar la estructura interior de las estrellas de neutrones.
“A medida que se acercan, las fuerzas de marea de uno [neutron] “La cantidad de deformación depende de lo que hay dentro de esas estrellas”.
El problema es que la gravedad extrema y la alta velocidad (hasta un 40% de la velocidad de la luz) de las estrellas de neutrones cuando giran unas alrededor de otras significa que los científicos tienen que buscar soluciones en la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Se trata de una tarea compleja, pero Yunes y Hegade creen que ahora tienen la respuesta.
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A medida que las estrellas de neutrones binarias deforman la forma y la estructura de cada una a través de sus mareas gravitacionales, provocan oscilaciones en su interior, como el sonido de una campana. Los patrones de estas oscilaciones se denominan modos, y la frecuencia de estos modos está impresa en las ondas gravitacionales que irradian las estrellas de neutrones binarias.
Se requiere un conjunto completo de modos para comprender el sistema binario. Sin embargo, discernir estos modos es complicado por el hecho de que las fuerzas de marea son dinámicas: cambian a medida que las estrellas de neutrones orbitan entre sí, y los efectos de cada estrella de neutrones se superponen, lo que hace aún más difícil distinguir lo que está sucediendo.
“Sin un conjunto completo de modos, es muy posible que se pierda parte de la respuesta de las mareas cuando se modela, ya que es posible que se omitan otras piezas de la descripción matemática de la respuesta necesarias para capturar toda la física”, dijo Yunes.
La física newtoniana, es decir, la física básica de la gravedad según la ley de gravitación de Isaac Newton, contiene un conjunto completo de modos de oscilación para un objeto regular. Estos modos se conocen como oscilador armónico amortiguado. Sin embargo, en física relativista no ha quedado claro si se pueden derivar todos los modos. Por ejemplo, las ondas gravitacionales que irradian energía desde estrellas de neutrones binarias son un fenómeno de la relatividad general, que sucedió a la gravedad newtoniana, y como tales no son consideradas por la física newtoniana.
“Si su sistema está perdiendo energía, entonces sus modos no pueden estar completos”, afirmó Hegade.
La solución fue desglosar el problema, considerando cada estrella de neutrones individualmente y a su compañera simplemente como una fuente de mareas gravitacionales. Luego, el equipo de Yunes y Hegade dividió cada estrella de neutrones en regiones separadas de fuerza gravitacional variable a diferentes escalas, describiendo una gravedad fuerte y una gravedad más débil. Encontraron soluciones aproximadas para cada escala y luego las combinaron. Incluso descubrieron que la pérdida de energía de las ondas gravitacionales efectivamente se compensaba. Esto les permitió derivar una solución que describía todos los modos oscilatorios del interior de una estrella de neutrones y, además, cómo estos modos quedarían impresos en la frecuencia de las ondas gravitacionales resultantes.
“Mostramos dos cosas importantes”, dijo Hegade. “En primer lugar, pudimos restar radiación y descubrimos que los modos de una estrella de neutrones efectivamente forman un conjunto completo. En segundo lugar, descubrimos que si resuelves consistentemente un determinado conjunto de ecuaciones usando un campo de mareas que sea suficientemente ‘suave’, es una solución para el interior de una estrella, y puedes hacer las mismas cosas en la relatividad general que en la gravedad newtoniana”.
Este no es el final de la historia. El trabajo del equipo de Yunes y Hegade es puramente teórico en esta etapa, y los detectores de ondas gravitacionales actuales no son lo suficientemente sensibles a frecuencias más altas para detectar esta huella. Sin embargo, Yunes y Hegade son optimistas en cuanto a que la próxima generación de detectores funcionará.
Los hallazgos fueron publicados el 18 de febrero en la revista Physical Review Letters.