El Observatorio de rayos X Chandra de la NASA descubrió la primera evidencia directa de un superfluido, un estado extraño de materia libre de fricción, en el núcleo de una estrella de neutrones.
La imagen de arriba, publicada hoy, muestra rayos X de Chandra (rojo, verde y azul) y datos ópticos del Hubble (oro) de Cassiopeia A, los restos de una estrella masiva que explotó en una supernova. La evidencia de superfluido se ha encontrado en el núcleo denso de la estrella dejada atrás, una llamada estrella de neutrones. La ilustración del artista en el recuadro muestra un recorte del interior de la estrella de neutrones, donde las densidades aumentan desde la corteza naranja hasta el núcleo rojo y finalmente a la bola roja interna, la región donde existe el superfluido.
Los superfluidos creados en laboratorios en la Tierra exhiben propiedades notables, como la capacidad de subir y escapar de contenedores herméticos. Cuando están hechos de partículas cargadas, los superfluidos también son superconductores, y permiten que la corriente eléctrica fluya sin resistencia. Dichos materiales en la Tierra tienen aplicaciones tecnológicas generalizadas, como la producción de imanes superconductores utilizados para la resonancia magnética [MRI].
Dos equipos de investigación independientes han utilizado los datos de Chandra para mostrar que el interior de una estrella de neutrones contiene materia superfluida y superconductora, una conclusión con importantes implicaciones para comprender las interacciones nucleares en la materia a las densidades más altas conocidas. Los equipos publican su investigación por separado en las revistas. Avisos mensuales de las cartas de la Royal Astronomical Society y Cartas de revisión física.
Cas A (RA 23h 23m 26.7s | Dec + 58 ° 49 ′ 03.00) se encuentra a unos 11,000 años luz de distancia. Su estrella explotó hace unos 330 años en el marco temporal de la Tierra. Una secuencia de observaciones de Chandra de la estrella de neutrones muestra que el objeto ahora compacto se ha enfriado en aproximadamente un 4 por ciento durante un período de diez años.
"Esta caída de temperatura, aunque suena pequeña, fue realmente dramática y sorprendente de ver", dijo Dany Page de la Universidad Nacional Autónoma de México, líder de uno de los dos equipos. "Esto significa que algo inusual está sucediendo dentro de esta estrella de neutrones".
Las estrellas de neutrones contienen la materia más densa conocida que es directamente observable; una cucharadita de material de estrella de neutrones pesa seis mil millones de toneladas. La presión en el núcleo de la estrella es tan alta que la mayoría de las partículas cargadas, electrones y protones, se fusionan, lo que resulta en una estrella compuesta principalmente de neutrones.
Los nuevos resultados sugieren fuertemente que los protones restantes en el núcleo de la estrella están en un estado superfluido y, debido a que llevan una carga, también forman un superconductor.
Ambos equipos muestran que el rápido enfriamiento en Cas A se explica por la formación de un superfluido de neutrones en el núcleo de la estrella de neutrones en los últimos 100 años, visto desde la Tierra. Se espera que el enfriamiento rápido continúe durante algunas décadas, y luego debería disminuir.
"Resulta que Cas A puede ser un regalo del Universo porque tendríamos que atrapar a una estrella de neutrones muy joven en el momento justo", dijo la coautora de Page, Madappa Prakash, de la Universidad de Ohio. "A veces un poco de buena fortuna puede ser muy útil en la ciencia".
El inicio de la superfluidez en los materiales en la Tierra ocurre a temperaturas extremadamente bajas cerca del cero absoluto, pero en las estrellas de neutrones, puede ocurrir a temperaturas cercanas a mil millones de grados centígrados. Hasta ahora había una gran incertidumbre en las estimaciones de esta temperatura crítica. Esta nueva investigación limita la temperatura crítica a entre medio billón y poco menos de mil millones de grados.
Cas A permitirá a los investigadores probar modelos de cómo la fuerza nuclear fuerte, que une las partículas subatómicas, se comporta en materia ultradensa. Estos resultados también son importantes para comprender una variedad de comportamientos en las estrellas de neutrones, que incluyen “fallas técnicas”, precesión y pulsación de estrellas de neutrones, explosiones de magnetar y la evolución de los campos magnéticos de estrellas de neutrones.
Fuentes: Comunicados de prensa de la Royal Astronomical Society y Harvard. Vea multimedia adicional en la página Chandra de la NASA, y los dos estudios en MNRAS y Phys. Rev. Cartas.
