Astrónomos de la
Universidad de Michigan y otras instituciones han observado en torno a
una estrella de neutrones la distorsión del tejido espacio-tiempo
predicha por Albert Einstein. Para ello han utilizado una nueva técnica
en satélites de rayos X europeos y japoneses para determinar las
propiedades de estos objetos ultradensos.
Las estrellas de
neutrones contienen la materia observable más densa del Universo: una
masa superior a un Sol empaquetada en una esfera del tamaño de una
ciudad, lo cual significa que una taza de "estrella de neutrones"
pesaría más que el monte Everest. Los astrónomos cuentan con
laboratorios naturales en estas estrellas colapsadas para estudiar hasta
qué punto se comprime la materia bajo las presiones más extremas que la
naturaleza es capaz de generar.
Imagen:
representación de un disco de gas que gira en torno a una estrella de
neutrones. El gas de la zona más interna del disco alcanza un 40% de la
velocidad de la luz, suficiente para experimentar lo predicho por las
teorías de la relatividad de Einstein. Los átomos de hierro de esta
región extremadamente caliente emiten rayos X con longitudes de onda
características, pero la señal espectral aparece altamente distorsionada
por los efectos relativistas.
Los científicos que observan
las estrellas de neutrones persiguen cuestiones de física fundamental,
ya que estos astros contienen partículas exóticas y estados de la
materia imposibles de recrear en un laboratorio. El primer paso a seguir
para adentrarse en estos misterios es medir con absoluta precisión el
diámetro y la masa de las estrellas de neutrones. Como la propia
estrella de neutrones, el espacio a su alrededor resulta igualmente
extremo. Los movimientos del gas en este medio se describen mediante la
Teoría General de la Relatividad.
El investigador de la U-M
Edward Cackett y su profesor asistente Jon Miller son los autores
principales de este trabajo enviado a Astrophysical Journal Letters para
su publicación. Un estudio independiente de Sudip Bhattacharyya y Tod
Strohmayer del Goddard Space Flight Center (NASA) reforzó el trabajo
anterior y los resultados conjuntos demostraron que existía . La NASA
describió el hallazgo como un gran paso hacia delante.
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Imagen:
muchas estrellas de neutrones se encuentran acompañadas por otra
estrella, como muestra esta ilustración. La intensa gravedad de
la estrella de neutrones desvía gas de su compañera y lo instala
en un disco que orbita a su alrededor. |
El equipo de la U-M utilizó el
satélite observatorio de rayos X Suzaku (Japón-NASA) para sondear tres
estrellas de neutrones binarias: Serpens X-1, GX 349+2, y 4U 1820-30. El
objetivo era estudiar las líneas espectrales de los átomos de hierro
calientes que giran en un disco justo sobre la superficie de la estrella
de neutrones a un 40% de la velocidad de la luz. Otros observatorios de
rayos X habían detectado estas líneas previamente pero carecían de la
sensibilidad necesaria para obtener las formas de las líneas en detalle.
Cackett y Miller, así como los
astrónomos del Goddard, averiguaron que la línea del hierro se
ensanchaba asimétricamente por la extrema velocidad del gas. La
distorsión de la línea se debe al efecto Doppler y a la amplificación
predicha por la Teoría Especial de la Relatividad. La curvatura del
espacio-tiempo que provoca la potentísima gravedad de la estrella de
neutrones, como resultado de la Relatividad General, desplaza la línea
del hierro hacia longitudes de onda más largas.
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Imagen: el XMM-Newton observó la línea
espectral de los átomos de hierro que orbitan la estrella de
neutrones Serpens X-1 en la orilla interna del disco de
acrección. Normalmente la línea debería mostrar un pico
simétrico, pero exhibe la clásica señal de los efectos
relativísticos. El movimiento tan veloz del gas rico en hierro
hace que la línea se extienda. Debido a la gravedad se traslada
hacia longitudes de onda más largas (a la izda. en rojo). La
línea es más brillante hacia longitudes de onda menores (dcha.
en azul) porque la Teoría Especial de la Relatividad predice que
una fuente a alta velocidad que enfoca hacia la Tierra parecerá
más brillante que la misma fuente alejándose. |
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La línea del hierro que Cackett
y Miller observaron en Serpens X-1 era casi idéntica a la observada por
Bhattacharyya y Strohmayer por medio de un satélite diferente: el XMM-Newton,
de la Agencia Europea Espacial. En los otros sistemas estelares también
se observaron líneas parecidas.
El gas observado gira justo al
exterior de la superficie de la estrella de neutrones y como obviamente
la zona más interna del disco no puede orbitar más cerca que la propia
superficie estelar, estas medidas aportan un tamaño máximo para el
diámetro de la estrella de neutrones, que no supera los 30 ó 32 km. De
hecho, los resultados concuerdan con otro tipo de medidas realizadas.
Conocer la masa y tamaño de una estrella de neutrones permite a los
físicos describir la rigidez o "ecuación de estado" de la materia
prensada en estos objetos increíblemente densos. Además de aprovechar
las líneas del hierro para probar la Teoría General de la Relatividad,
los astrónomos pueden indagar sobre las condiciones del área más interna
del disco de acrección de una estrella de neutrones.
Es muy complicado medir el
tamaño y la masa de una estrella de neutrones, por eso fue necesario
combinar varias técnicas para obtener un resultado tan claro.
Más información:
http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2007/probe_matter.html
http://www.esa.int/esaSC/SEMPJXE1P5F_index_0.html
http://www.ns.umich.edu/htdocs/releases/story.php?id=6003
