Chandra descubre un superfluido en el núcleo de una estrella de neutrones

Chandra ha descubierto en el núcleo de una estrella de neutrones la primera evidencia directa de un superfluido, un estado de la materia extraño, sin fricción.
Los superfluidos creados en los laboratorios de la Tierra presentan propiedades notables, tales como la capacidad de ascender y escapar de envases herméticamente cerrados. El descubrimiento tiene implicaciones importantes para comprender las interacciones nucleares en la materia a las mayores densidades conocidas.
Las estrellas de neutrones contienen la materia más densa directamente observable. Una cucharadita del material de una estrella de neutrones pesa 6000 millones de toneladas. La presión en el núcleo de la estrella es tan alta que la mayoría de las partículas cargadas, los electrones y protones, se fusionan dando lugar a una estrella compuesta principalmente por partículas sin carga llamadas neutrones.
Dos equipos de investigación independientes estudiaron el remanente de supernova Cassiopeia A, o Cas A, los restos de una estrella masiva a 11.000 años-luz de distancia que explotó hace 330 años, tal y como observamos desde la Tierra. Los datos de Chandra presentan una rápida disminución de la temperatura de la estrella de neutrones que quedó después de la supernova, demostrando que se habría enfriado alrededor de un 4% en 10 años.
"Observar esta caída de temperatura, aunque parezca pequeña, es realmente importante y sorprendente", declaró Dany Page de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), líder de un equipo que publicó un artículo el 25 de febrero pasado en la revista Physicla Review Letters. "Esto significa que algo extraño está sucediendo dentro de esta estrella de neutrones".
Los superfluidos que contienen partículas cargadas son también superconductores, es decir, actúan como perfectos conductores eléctricos y no pierden energía. Los nuevos resultados sugieren fuertemente que el resto de protones del núcleo de la estrella se encuentran en un estado superfluido y, debido a que tienen carga, también forman un superconductor.
"El rápido enfriamiento de la estrella de neutrones Cas A, observado por Chandra, es la primera evidencia directa de que los núcleos de estas estrellas de neutrones están, de hecho, formados por un material superfluido y superconductor", afirmó Peter Shternin del Instituto Ioffe de San Petersburgo, Rusia, líder de un equipo con un trabajo aceptado para su publicación en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Crédito:rayos-X: NASA / CXC UNAM / Ioffe / / D.Page, P. et al Shternin imagen óptica: NASA / STScI; Ilustración del recuadro: NASA / CXC / M.Weiss
Esta imagen compuesta muestra una imagen en rayos-X y otra óptica de Cassiopeia A (Cas A), un remanente de supernova en nuestra Galaxia ubicado a unos 11.000 años-luz de distancia. Estos son los restos de una estrella masiva que explotó hace unos 330 años, según el marco temporal de la Tierra. Los rayos-X de Chandra se ven en color rojo, verde y azul, junto con los datos ópticos del Hubble en color oro. En el centro de la imagen hay una estrella de neutrones, una estrella extremadamente densa creada por la explosión supernova. Diez años de observaciones con Chandra han revelado un descenso del 4% en la temperatura de esta estrella de neutrones, un enfriamiento inesperadamente rápido. Dos nuevos artículos de equipos de investigación independientes muestran que este enfriamiento está probablemente provocado por un superfluido de neutrones que se forma en su regiones centrales, aportando la primera evidencia directa de este extraño estado de la materia en el núcleo de una estrella de neutrones.
El recuadro muestra una impresión artística de la estrella de neutrones en el centro de Cas A. Las diferentes capas de colores en la región del corte muestran la corteza (naranja), el centro (rojo), donde las densidades son mucho más altas, y la parte del núcleo donde los neutrones se cree que están en un estado superfluido (bola roja interior). Los rayos azules que emanan del centro de la estrella representan a numerosos neutrinos, partículas casi sin masa, que interactúan debilmente. Los neutrinos se forman cuando la temperatura del núcleo cae por debajo de un nivel crítico y se forma un superfluido de neutrones, un proceso que comenzó hace alrededor de 100 años según el marco temporal de la Tierra. Estos neutrinos escapan de la estrella, llevándose energía con ellos y provocando que la estrella se enfríe más rápidamente.
Ambos equipos muestran que este enfriamiento rápido se explica por la formación de un superfluido de neutrones en el núcleo de la estrella de neutrones en los últimos 100 años aproximadamente. Este rápido enfriamiento se espera que continúe durante algunas décadas y luego reduzca su velocidad.
"Parece que Cas A es un regalo del Universo, porque tendríamos que atrapar una estrella de neutrones muy joven justo en el momento correcto," explicó el coautor de Page, Madappa Prakash, de la Universidad de Ohio. "A veces un poco de suerte supone un largo camino para la ciencia."
El inicio del estado superfluido en los materiales en la Tierra se produce a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, pero en las estrellas de neutrones, puede ocurrir a temperaturas de cerca de 1000 millones de grados centígrados. Hasta ahora había una gran incertidumbre en las estimaciones de esta temperatura crítica. Esta nueva investigación limita la temperatura crítica entre 500 millones a poco menos de 1000 millones de grados.
Cas A permitirá a los investigadores para probar modelos del comportamiento de la fuerza nuclear fuerte, la fuerza que une a las partículas subatómicas, en la materia ultradensa. Estos resultados también son importantes para comprender diversos comportamientos de las estrellas de neutrones, como los "glitches", la precesión y pulsación de las estrellas de neutrones, los estallidos magnetar y la evolución de los campos magnéticos en las estrellas de neutrones.
Unos pequeños y súbitos cambios en la velocidad de giro de rotación de las estrellas de neutrones, llamados glitches, ya habían aportado evidencias de neutrones superfluidos en la corteza de una estrella de neutrones, donde las densidades son mucho menores que las observados en el núcleo de la estrella. Este último descubrimiento de Cas A revela nueva información sobre la región ultradensa interior de la estrella.
"Antes no teníamos ni idea de cómo se extendía la superconductividad de protones en una estrella de neutrones", comentó el coautor Shternin Dmitry Yakovlev, también del Instituto Ioffe.
El enfriamiento de la estrela de neutrones Cas A fue descubierto por el coautor Craig Heinke, de la Universidad de Alberta, Canadá, y Wynn Ho de la Universidad de Southampton, Reino Unido, en 2010. Fue la primera vez que los astrónomos medían la velocidad de enfriamiento de una estrella de neutrones joven.
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