CASSIOPEA A

Esta imagen presenta un compuesto de 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. Recuadro: 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 región donde existe el "superfluido" (bola roja interna).

Crédito: Rayos X: NASA / CXC / xx; Óptico: NASA / STScI; Ilustración: NASA / CXC / M.Weiss

El núcleo ultradenso de una estrella explotada contiene una extraña forma de materia superconductora llamada superfluido, sugieren nuevos estudios.

Dos equipos de investigadores que usaron el Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA detectaron un rápido descenso en la temperatura de Cassiopeia A (Cas A), que es una estrella de neutrones: el remanente que queda cuando una estrella masiva termina su vida en una explosión de supernova. La gran caída de temperatura es una evidencia sólida de la presencia de un extraño estado de la materia en el núcleo de Cas A, según los investigadores.

"El enfriamiento rápido en la estrella de neutrones de Cas A, visto con Chandra, es la primera evidencia directa de que los núcleos de estas estrellas de neutrones están hechos de material superfluido y superconductor", dijo Peter Shternin del Instituto Ioffe en San Petersburgo. Rusia, dijo en un comunicado. Él es el líder de uno de los equipos.Los superfluidos hechos de partículas cargadas también son superconductores, que permiten que la corriente eléctrica fluya sin resistencia.

Una estrella de neutrones se enfría

Cas A es el remanente de una gran estrella que explotó hace unos 330 años. La estrella de neutrones está a unos 11,000 años luz de distancia, en la constelación de Cassiopeia.

Los investigadores de los dos nuevos estudios descubrieron que se ha enfriado aproximadamente un 4 por ciento en un período de 10 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 del otro equipo de investigación. "Esto significa que algo inusual está sucediendo dentro de esta estrella de neutrones".

Las estrellas de neutrones son algunos de los objetos más densos conocidos. Una cucharadita de material de estrella de neutrones tiene una masa de 6 mil millones de toneladas. [ Las cosas más extrañas en el espacio ]

La presión en el núcleo de la estrella es tan inmensa que la mayoría de los electrones allí se fusionan con protones, produciendo neutrones, dijeron los investigadores.

Los físicos han desarrollado modelos detallados para predecir cómo debe comportarse la materia a densidades tan altas, incluida la posibilidad de que se formen superfluidos.

La superfluidez es un estado de la materia libre de fricción, y los superfluidos creados en los laboratorios aquí en la Tierra exhiben propiedades notables. Según los investigadores, puede subir hacia arriba, por ejemplo, y escapar de contenedores herméticos.

Superfluidos en el núcleo de la estrella muerta

En sus estudios, ambos grupos de investigación encontraron evidencia de que el enfriamiento rápido de Cas A se debe a la formación de un superfluido de neutrones en el núcleo de la estrella de neutrones, y que esto sucedió en los últimos 100 años más o menos.

Los detalles del estudio de Shternin aparecerán en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters. La búsqueda de Page y su equipo aparecerá en la revista Physical Review Letters.

Las temperaturas decrecientes de Cas A son consistentes con la teoría, que predice que una estrella de neutrones debería someterse a un enfriamiento distinto durante la transición al estado superfluido, dijeron los investigadores.

Durante este tiempo, las partículas casi sin masa, de interacción débil llamadas neutrinos se forman en grandes cantidades y luego escapan, llevándose energía consigo. Se espera que el enfriamiento continúe durante unas pocas décadas antes de desacelerarse, dijeron los investigadores.

En la Tierra, la aparición de superfluidez en los materiales ocurre a temperaturas extremadamente bajas, cerca del cero absoluto, alrededor de menos 273 grados Celsius (menos 459.6 grados Fahrenheit). Pero en estrellas de neutrones, puede tener lugar a temperaturas cercanas a mil millones de grados F debido a que las interacciones de partículas ocurren a través de la fuerza nuclear fuerte: la fuerza que une a los quarks para formar protones y neutrones, y protones y neutrones para formar núcleos atómicos.

Hasta ahora, había una incertidumbre muy grande en las estimaciones de esta temperatura crítica. Pero la nueva investigación apunta a entre 900 y 1.800 millones de grados F (entre 500 y 1.000 millones de grados C), dijeron los investigadores. 

"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 el coautor de la página, Madappa Prakash, de la Universidad de Ohio. 
"A veces, un poco de buena fortuna puede recorrer un largo camino en la ciencia".

Ayudando a arrojar luz sobre estrellas de neutrones

Los investigadores dijeron que sus hallazgos sugieren que el remanente de supernova Cas A puede servir como un buen banco de pruebas para estudiar cómo se comporta la materia ultradensa a nivel atómico.

Estos resultados también son importantes para comprender la diversidad entre las estrellas de neutrones, como la pulsación, los estallidos de magnetar y la evolución de potentes campos magnéticos de estrellas de neutrones, dijeron los investigadores. Los nuevos estudios también podrían ayudar a los científicos a comprender mejor los cambios pequeños y repentinos en estrellas de neutrones giratorias altamente magnetizadas conocidas como púlsares.

Estudios anteriores sobre los cambios en los púlsares, conocidos como fallas, han arrojado evidencia de neutrones superfluidos en la corteza de una estrella de neutrones, donde las densidades son menores que en el núcleo.

La nueva investigación sobre Cas A, sin embargo, proporciona la primera evidencia directa de neutrones y protones superfluidos en el núcleo de una estrella de neutrones, dijeron los investigadores.