Las ondas gravitacionales brindarán a los astrónomos una nueva forma de observar el interior de las estrellas de neutrones
Es difícil estudiar las estrellas de neutrones. Están a años luz de distancia y solo tienen 20 kilómetros de diámetro. También están hechos del material más denso del universo. Tan denso que los núcleos atómicos se fusionan para convertirse en un fluido complejo. Durante años, nuestra comprensión de los interiores se basó en modelos físicos complejos y en los pocos datos que pudimos recopilar de los telescopios ópticos. Pero eso está empezando a cambiar.
El interior de una estrella de neutrones está gobernado por la ecuación de estado para la materia nuclear, conocida como la ecuación de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). Las ecuaciones son tan complejas que requieren computadoras poderosas para calcularlas, y las respuestas que da TOV dependen de ciertas suposiciones que hacemos sobre cómo se comporta la materia nuclear en grandes cantidades. Así que hay mucha confusión en nuestra comprensión de las estrellas de neutrones. Sabemos que suelen tener unos 20 kilómetros de diámetro, pero no sabemos la relación exacta entre la masa y el tamaño de una estrella de neutrones. Desde un punto de vista observacional, sabemos que el límite de masa superior para una estrella de neutrones es de aproximadamente dos masas solares, pero no conocemos un límite absoluto como el que conocemos para las enanas blancas. Tampoco sabemos si los quarks pueden liberarse en el interior para formar algún tipo extraño de estrella de quarks.
Uno de los desafíos para responder a estas preguntas es la limitación de los datos ópticos que tenemos. No podemos ver el interior de una estrella de neutrones, por lo que estamos limitados a observaciones indirectas. A partir de las observaciones de los púlsares de radio, sabemos, por ejemplo, que las estrellas de neutrones experimentan terremotos estelares tan poderosos que cambian la velocidad de rotación de una estrella de neutrones. Esto nos dice que las estrellas de neutrones probablemente tienen una corteza rígida que ocasionalmente se agrieta cuando la estrella de neutrones se enfría. También obtenemos una idea del interior de una estrella de neutrones al observar los espectros de las supernovas que se forman cuando las estrellas de neutrones chocan. Los elementos resultantes formados por la explosión nos dan datos indirectos sobre la composición interior. Pero nuestra comprensión todavía se basa en gran medida en la teoría. Sería bueno tener un nuevo tipo de herramienta para estudiar estrellas de neutrones que no sean telescopios ópticos.
Afortunadamente para nosotros, tenemos uno. Los telescopios de ondas gravitacionales no solo han detectado fusiones de agujeros negros, sino también fusiones de estrellas de neutrones. Las ondas que se producen cuando dos estrellas de neutrones giran una hacia la otra no son tan poderosas como las creadas por los agujeros negros, pero cada vez somos más capaces de detectarlas. Y la próxima generación de telescopios de ondas gravitacionales podrá estudiar las fusiones de estrellas de neutrones con más detalle. Este fue el tema de un nuevo estudio publicado en Cartas de exploración física.
El estudio examina cómo las ondas gravitacionales de las estrellas de neutrones en espiral se ven afectadas por el tamaño y la forma de las estrellas de neutrones. A diferencia de las fusiones de agujeros negros, que se rigen por completo por la relatividad general, las fusiones de estrellas de neutrones dependen en parte de cómo las estrellas de neutrones cambian de forma bajo el estrés gravitacional. Si las estrellas de neutrones son más rígidas, permanecerán bastante esféricas a medida que se acercan, pero si son más fluidas, se deformarán antes. El equipo utilizó un modelo sofisticado para relacionar los patrones de ondas gravitacionales con la ecuación de estado de la estrella de neutrones y descubrió que las futuras observaciones de ondas gravitacionales podrían reducir la ecuación de estado.
El efecto sobre las ondas gravitacionales es pequeño, pero el equipo ha creado un modelo para la próxima serie de Advanced LIGO. También tienen modelos listos para la próxima generación de instrumentos LIGO conocida como A+, que se espera que tenga su primer período de observación en 2025. Por lo tanto, no debería pasar mucho tiempo antes de que tengamos una ola de datos que finalmente podría revelar los interiores profundos. de estrellas de neutrones. .
Referencia: Pratten, G., et al. «Impacto de las mareas dinámicas en la reconstrucción de la ecuación de estado de la estrella de neutrones.” Cartas de exploración física 129.8 (2022): 081102.
