About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
Una vez cada siglo, una estrella masiva en algún lugar de nuestra galaxia se queda sin combustible. Esto sucede después de que millones de años de calor y presión hayan fundido el hidrógeno de la estrella en elementos más pesados como helio, carbono, nitrógeno hasta hierro. Ya no es capaz de producir suficiente energía para mantener su estructura, se derrumba bajo su propia presión gravitacional y explota en una supernova. La estrella dispara la mayoría de sus entrañas al espacio, sembrando la galaxia con elementos pesados. Pero lo que deja atrás esta cataclísmica erupción podría ser aún más notable: Una bola de materia tan densa que los electrones atómicos colapsan de sus órbitas cuánticas hacia las profundidades de los núcleos atómicos. La muerte de esa estrella es el nacimiento de una estrella de neutrones: uno de los objetos más densos conocidos en el universo, y un laboratorio para la extraña física de la materia supercondensada.
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
Pero, ¿qué es una estrella de neutrones? Piensa en una bola compacta en cuyo interior protones y electrones se fusionan en neutrones y forman un líquido sin fricción llamado superfluido rodeado por una corteza. Este material es increíblemente denso. El equivalente a la masa de un barco de contenedores completamente cargados apretados en un cabello humano, o la masa del Everest en un espacio de un cubo de azúcar. Más profundo en la corteza, el superfluido de neutrones forma diferentes fases que los físicos llaman "pasta nuclear", porque apretado se parece a las formas de lasaña y espaguetis.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
Los precursores masivos de las estrellas de neutrones a menudo giran. Cuando se derrumban, las estrellas que tienen millones de km de ancho, se comprimen hasta ser estrellas de neutrones de solo unos 25 km de diámetro. Pero el momento angular original de la estrella se conserva. Así que por la misma razón que el giro de un patinador se acelera cuando lo lleva a sus brazos, la estrella de neutrones gira mucho más rápidamente que su padre. La estrella de neutrones más rápida rota a más de 700 veces por segundo, lo que significa que un punto en su superficie gira a través del espacio a más de un quinto de la velocidad de la luz. Las estrellas de neutrones también tienen el campo magnético más fuerte conocido. Esta concentración magnética forma vórtices que irradian haces desde los polos magnéticos. Como los polos no siempre están alineados con el eje de rotación de la estrella, las vigas giran como faros, que parecen parpadear cuando se ven desde la Tierra. Se llaman pulsares. La detección de una de estas tentadoras señales parpadeantes por la astrofísica Jocelyn Bell en 1967 fue, de hecho, la forma cómo descubrimos indirectamente estrellas de neutrones La rotación feroz de una estrella de neutrones envejecida disminuye durante un período de miles de millones de años. A medida que irradia su energía en forma de ondas electromagnéticas y de gravedad.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
Pero no todas las estrellas de neutrones desaparecen tan silenciosamente. Por ejemplo, hemos observado sistemas binarios, donde una estrella de neutrones coorbita otra estrella. Una estrella de neutrones puede alimentarse de un compañero más ligero, engulléndole en su atmósfera más holgada antes de finalmente colapsar de forma catastrófica en un agujero negro.
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
Mientras que muchas estrellas existen como sistemas binarios, solo un pequeño porcentaje de ellas acaban siendo binarias de estrella de neutrones, donde dos estrellas de neutrones se rodean en un vals condenado a acabar siendo una fusión. Cuando finalmente chocan, envían ondas de gravedad a través del espacio-tiempo como ondas por una piedra arrojada a un lago tranquilo.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
La Teoría de la relatividad general de Einstein. predijo este fenómeno hace más de 100 años, pero no se verificó directamente hasta 2017, cuando observatorios de ondas gravitacionales LIGO y VIRGO observaron una colisión de estrella de neutrones. Otros telescopios captaron un estallido de rayos gamma y un destello de luz, y, más tarde, radiografías y señales de radio, todas del mismo impacto. Se convirtió en el evento más estudiado en la historia de la astronomía. Dio un tesoro de datos, que ayudó a precisar la velocidad de la gravedad, reforzar teorías importantes en astrofísica, y proporcionar evidencia del origen de elementos pesados como oro y platino.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
Las estrellas de neutrones aún no han abandonado todos sus secretos. LIGO y VIRGO se están actualizando para detectar más colisiones. Eso nos ayudará a aprender que la espectacular desaparición de estos imanes densos, pulsantes y giratorios nos puede contar sobre el universo.