Pasta Nuclear en Estrellas de Neutrones

Título: Astromaterial Science and Nuclear Pasta

Autores: M. E. Caplan, C. J. Horowitz

Institución del primer autor: Indiana University, USA

Estado: arXiv.org, acceso abierto

Dentro de una estrella de neutrones

Las estrellas de neutrones son los objetos más densos del universo. Naturalmente, la materia dentro de ellos es exótica y diferente a cualquier cosa en la Tierra: ¡imagínese aplastar la masa de nuestro Sol en una estrella de solo 10 km de diámetro! Como uno podría adivinar por su nombre, las estrellas de neutrones se componen principalmente de neutrones, con una pequeña fracción de electrones y protones que también contribuyen a su masa. Una estrella de neutrones puede considerarse como análoga a un núcleo atómico gigante, limitado por fuerzas gravitacionales en lugar de la fuerza fuerte. Bajo la presión ejercida por la gravedad, la materia se comprime a la misma densidad que los núcleos de los átomos; las propiedades de la materia de alta densidad en las estrellas de neutrones se discuten en esta mordida.

Ahora, visualicemos descender a través de la corteza de una estrella de neutrones. La Figura 1 proporciona un esquema de las capas estratificadas que encontramos durante nuestro descenso. En la corteza exterior, los neutrones se combinan en núcleos que forman una red sólida. A medida que descendemos más profundamente en la corteza, los núcleos se vuelven cada vez más gigantes y ricos en neutrones. Más allá de un cierto tamaño, los neutrones comienzan a desbordarse de los núcleos y gotean, formando un océano de neutrones libres en el que se sumerge la red de núcleos. Esto significa nuestra transición hacia la corteza interior. Aquí, en la base de la corteza (o «manto»), descubrimos las intrincadas estructuras nucleares de las que se ocupa el periódico de hoy. Por lo general, esperamos que los núcleos sean esféricos, pero aquí los núcleos se deforman y se fusionan, formando grupos de formas exóticas llamadas «pasta nuclear». Más allá de este punto, entramos en el núcleo de la estrella donde encontramos materia nuclear uniforme: un superfluido de neutrones (una sustancia que fluye sin fricción) coexiste con un superconductor de protones (un material que conduce electricidad sin resistencia).

Figura 1: (a) Estructura de una estrella de neutrones. Los símbolos N, n, p, e, μ corresponden a núcleos, neutrones fluidos y protones, electrones y muones respectivamente. b) Composición de la corteza interna de una estrella de neutrones. Fuente: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Pasta nuclear

Bajo las condiciones extremas de alta densidad dentro de una estrella de neutrones, la competencia entre la atracción nuclear y la repulsión de Coulomb produce estructuras exóticas llamadas pasta nuclear. Ravenhall, Pethick y Wilson fueron los primeros en investigar estas configuraciones inusuales de materia nuclear. La pasta nuclear se caracteriza por patrones complejos no esféricos, como tubos, láminas y burbujas; estas configuraciones minimizan su energía (ver Figura 2). El nombre de «pasta nuclear» surgió debido a un parecido con diferentes variedades de pasta, como la lasaña, los ñoquis y los espaguetis.

Actualmente, nuestra comprensión de la pasta nuclear en estrellas de neutrones se basa en gran medida en cálculos teóricos. Sin embargo, existe alguna evidencia observacional que apoya la existencia de pasta nuclear en la corteza. Por ejemplo, Pons, Vigano y Rea postulan que la fase de pasta limita el período de espín máximo de estrellas de neutrones giratorias (púlsares). Sugieren que la ausencia de púlsares aislados de rayos X con períodos de espín superiores a 12 segundos puede ser evidencia observacional de pasta nuclear. La búsqueda de firmas observacionales de la capa de pasta nuclear es un tema de investigación de gran interés.

Figura 2: Ejemplos de diferentes fases de pasta nuclear. Figura 3 en papel.

Resultados

En este artículo, los autores realizan simulaciones de dinámica molecular semi-clásica de pasta nuclear. El enfoque semiclásico se justifica porque los comportamientos relevantes involucran grupos de miles de nucleones y estos grupos pesados pueden tratarse clásicamente. Los efectos cuánticos presentes a escalas más pequeñas se introducen a mano a través de los parámetros del modelo semiclásico.

Los autores modelan la geometría y la topología de las complejas estructuras de pasta que se muestran en la Figura 2 y extraen propiedades útiles del material, como la conductividad térmica y eléctrica. Los autores discuten cómo la presencia de una capa de pasta en la base de la corteza estelar de neutrones podría influir en las observaciones de fenómenos astrofísicos como neutrinos de supernova, decaimiento del campo magnético y enfriamiento de la corteza de estrellas de neutrones en acreción.

Anteriormente discutimos el artículo escrito por Pons et al. en las que se espera que las fases de pasta nuclear contengan impurezas. Las impurezas causan que el campo magnético de la estrella de neutrones decaiga a lo largo de 0,1-1 Myr, consistente con la población observada de púlsares aislados de rayos X con períodos de espín de menos de 12 segundos. Las simulaciones de dinámica molecular en el artículo de hoy proporcionan evidencia para apoyar la suposición de Pon de que la pasta tiene un alto parámetro de impureza. Por lo tanto, otra pieza del rompecabezas encaja y tenemos aún más razones para creer que la pasta nuclear existe dentro de las estrellas de neutrones.

  • Sobre el Autor

Acerca de Lisa Drummond

Soy estudiante de doctorado en astrofísica con intereses en objetos compactos y ondas gravitacionales. Estudié interiores de estrellas de neutrones para mi tesis de maestría en la Universidad de Melbourne, Australia, y ahora estoy haciendo mi doctorado en el MIT.

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