Cuando chocan las estrellas

Autor: 

Dr Carlos Rodríguez Castellanos
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09 Marzo 2018
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Crédito de fotografía: 

Archivo internet

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El pasado 16 de febrero, la revista Science se hizo eco de los resultados de la observación de la fusión de dos estrellas neutrónicas situadas a 130 millones de años-luz de nuestro sistema solar, un rarísimo evento astronómico registrado en la Tierra en agosto de 2017. Laboratorios de Estados Unidos e Italia detectaron las ondas gravitacionales producidas durante la colisión. La radiación electromagnética emitida fue captada por telescopios instalados sobre naves espaciales. Además,  varios observatorios terrestres obtuvieron imágenes radioelectrónicas de lo ocurrido.
El choque produjo una “estrella neutrónica hipermasiva”, con alta velocidad de rotación, que vivió unos pocos segundos hasta colapsar bajo el efecto de su propia gravedad y convertirse en un “hueco negro”. Las mediciones realizadas durante ese breve intervalo de tiempo permitieron a cuatro grupos de investigación independientes calcular la masa máxima que podría tener una estrella neutrónica sin rotación. Sus resultados coincidieron cerca de un valor igual a 2,2 veces la masa del Sol. Esa masa podría estar concentrada en una esfera de poco más de diez kilómetros de radio, que cabría en la ciudad de La Habana y sería el objeto observado más denso del universo conocido.

Destino incierto.
Aunque las estrellas parezcan inmutables, ellas tienen su ciclo de vida: nacen, viven millones de años y mueren. De hecho, no han existido siempre. Hace apenas una semana un observatorio en Australia reportó las primeras evidencias experimentales del llamado “amanecer cósmico”, momento de la evolución del Universo en que se formaron y comenzaron a brillar las primeras estrellas. De eso hace más de 13 mil 500 millones de años.

Las estrellas jóvenes están formadas fundamentalmente por hidrógeno. La fusión de los núcleos de hidrógeno da lugar a reacciones termonucleares que producen helio y otros elementos más pesados. En ese proceso se emite mucha energía, lo que da a las estrellas su brillantez.

A medida que el combustible estelar se consume, brillan cada vez menos. Una estrella moribunda tiene varios destinos posibles. Las más ligeras se convierten en “enanas blancas”, que son más o menos del tamaño de la Tierra, muy calientes y poco visibles. Las muy pesadas explotan tras colapsar por su propia gravedad y se transforman en “huecos negros”, objetos invisibles cuya existencia se advierte por la influencia de su gravedad sobre otros cuerpos. Las de masa intermedia también explotan, pero dejan entre sus residuos esferas muy densas, formadas casi exclusivamente por neutrones, a las  que se denomina “estrellas neutrónicas”.

Estrellas neutrónicas.
Los neutrones son partículas eléctricamente neutras que forman parte de los núcleos atómicos. Pertenecen al tipo de los llamados “fermiones”,  que tienen la propiedad, conocida como principio de Pauli, de que dos neutrones no pueden ocupar el mismo estado. Por eso, si unos neutrones llenan los estados de menor energía, los demás tendrán obligatoriamente que estar en estados más energéticos.

En una estrella neutrónica hay muchos neutrones. A los últimos “les tocan” estados con una energía enorme. En consecuencia, la presión expansiva que ejercen esos neutrones es muy grande y compensa a la presión “hacia adentro” que produce la atracción gravitatoria.

Por esa razón, la estrella neutrónica aunque muy densa, no colapsa y se mantiene estable, siempre que su masa no rebase cierto límite, que hasta ahora era desconocido.  Si la estrella rota, la fuerza “centrífuga” se suma a la presión de los neutrones y la estrella admite, según la teoría, hasta un 18 por ciento más de masa sin colapsar.  

Este fue el caso del cuerpo que se formó al fundirse dos estrellas neutrónicas de masa total 2,73 veces mayor que la del Sol.  La nueva estrella resultó demasiado pesada para estabilizarse, pero sobrevivió unos segundos gracias a su veloz rotación.  Rápidamente, las capas exteriores de la estrella, que rotan con más velocidad, fueron expulsadas al espacio, con lo que la estrella perdió masa y energía, desaceleró su rotación y terminó explosionando. Justo antes del colapso, ya su masa había descendido a casi 2,6 masas solares.  Asumiendo que en ese momento esta era 18 por ciento superior a la máxima posible para una estrella neutrónica que no rota, se concluye que este último valor debería ser de unas 2,2 masas solares.

Frutos de un esfuerzo internacional.
Este tipo de descubrimiento es solo posible mediante una amplísima colaboración internacional, que involucra a decenas de instituciones y a cientos o miles de personas.
El laboratorio LIGO, asentado en dos lugares de Estados Unidos: Livingston y Hanford,  a unos tres mil kilómetros uno del otro,  fue el primero en observar ondas gravitacionales en septiembre de 2015. Después se construyó VIRGO en Italia. Se planea ahora uno nuevo en la India y existe un proyecto europeo para construir otro montado sobre varias naves cósmicas. La existencia de diferentes observatorios es necesaria, no solo para confirmar los resultados, sino para precisar el punto del espacio cósmico del cual provienen las ondas registradas.

Hace muy poco que se comprobó experimentalmente la existencia de las ondas gravitacionales, casi cien años después de que fueran descritas teóricamente por Einstein. Hoy son ya un medio para el estudio de otros fenómenos. Pasaron de objeto a instrumento en menos de 36  meses.

Cuando las dos estrellas neutrónicas se acercaron, comprimieron el espacio entre ellas. Esta “compresión” viajó en todas direcciones como una onda gravitacional, a cuyo paso todos los objetos se estiraron o encogieron ligeramente en las direcciones perpendiculares a aquella en que se propagó la onda. Esa pequeñísima diferencia de las dimensiones de los cuerpos, inducida por la onda, pudo detectarse en la Tierra, 130 millones de años después, gracias a los interferómetros ultraprecisos con los que cuentan LIGO y VIRGO.

Conocimientos universales.
Las mismas leyes de la Naturaleza, en este caso las de la Física Cuántica, que permiten comprender los pequeños átomos, sirven para entender las enormes estrellas. Eso es prueba de la robustez y generalidad de nuestros conocimientos. Si para explicar cada nuevo fenómeno Ud. tiene que proponer una nueva teoría, eso significa que sus conocimientos son aún fragmentarios y poco profundos, con escasa capacidad de predicción.  

La Astrofísica Cuántica estudia las propiedades extraordinarias que adquiere la materia, bajo las condiciones de altísimas temperaturas, intensa gravedad y enormes campos magnéticos que tienen lugar en las estrellas.

Esas propiedades solo se manifiestan bajo tales condiciones extremas, que no existen en ningún otro sitio del Universo. Sin embargo, pueden ser explicadas con las mismas teorías científicas creadas para comprender lo que nos rodea por aquí cerca. ¡Un logro extraordinario del intelecto humano! Pero si algo “por allá” no funcionara como esperamos, sería porque nuestras teorías deben ser modificadas, y esto también tendría consecuencias “por acá”.

¡Qué brillen las estrellas!
Por cierto, que en nuestro país contamos con un pequeño  grupo de científicos que investigan con mucho éxito en este campo y lo que es notorio, se trata de un grupo liderado y formado mayormente por mujeres. ¡Una buena noticia para la Física cubana, tan necesitada de incrementar la presencia de esas estrellas tan brillantes!

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