Modelos y simulaciones para aportar información sobre la elevada densidad de materia en los núcleos de las estrellas de neutrones
Estos estados de la materia poseen campos magnéticos extremadamente intensos y muestran propiedades de superfluidos y superconductores. En concreto, la densidad en sus núcleos es tan alta que es probable que surjan estados exóticos de la materia. «Los estados posibles no están descritos teóricamente, por lo que las estrellas de neutrones ofrecen fuentes estables que podemos observar para conocer mejor las físicas a densidades extremas», afirma Yuti Cavecchi, beneficiario de una beca Marie Skłodowska-Curie y director del proyecto financiado con fondos europeos Burst3D. Las estrellas de neutrones en sistemas binarios generan destellos de rayos X extremadamente brillantes denominados explosiones de tipo I. Cuando la materia de la estrella acompañante cae sobre la estrella de neutrones debido a la gravedad fuerte, se comprime a una presión extremadamente alta hasta que explota y emite destellos brillantes de rayos X. «La evolución temporal de la intensidad de estos destellos contiene información sobre el núcleo de la estrella de neutrones que puede extraerse mediante los efectos descritos en la relatividad general», explica Cavecchi. «No obstante, es necesario modelizar la evolución de la combustión y la temperatura de la superficie para desentrañar completamente toda la información que buscamos».
Simulaciones sin precedentes durante las explosiones
Los investigadores ejecutaron simulaciones informáticas de las explosiones de tipo I que tienen lugar en las estrellas de neutrones. El logro principal de las simulaciones es aclarar la función de las inestabilidades en el frente de combustión de la llama. «La llama se propaga por la superficie y crea vientos fuertes en su frente donde entran en contacto fluidos calientes y fríos», explica Cavecchi. «Esta configuración es enormemente inestable, por lo que se descompone en el frente y se separa en vórtices más pequeños similares a huracanes de fuego». Se producen dos efectos netos, según Cavecchi: «En el primero, estos vórtices se mueven por delante del frente de la llama, lo que acelera la propagación y explica el rápido aumento de los destellos. En el segundo, estos mismos vórtices generan un patrón de emisión asimétrico que podría explicar características observadas en la evolución temporal de la intensidad del destello que son clave para comprender la naturaleza de la materia en el núcleo de las estrellas de neutrones». Los vórtices podrían ser la fuente directa de estas características o podrían impulsar ondas en el océano ardiente que dan lugar a estas firmas.
Hacer coincidir la teoría y las observaciones
Los análisis muestran cómo reconciliar la teoría de la combustión con la frecuencia observada de ignición de las explosiones de tipo I, y cómo establecer conexiones entre las observaciones y los parámetros de combustión. «Desde el punto de vista de las observaciones, distintas fuentes plantean divergencias con respecto a las teorías que explican la ignición y la combustión nucleares», apunta Cavecchi. «Al contrario de lo que cabría pensar, cuanta más materia se acumula en la superficie, menor es la frecuencia a la que se registran explosiones en estas fuentes». Los cálculos analíticos incluyeron los efectos de distintas condiciones sobre la superficie de la estrella y la función de mezclar materiales nuevos con las cenizas de explosiones anteriores. «Burst3D ofrece respuesta a cuestiones sin resolver sobre la fenomenología de las explosiones, y abre paso al aprovechamiento de las observaciones de rayos X en estudios sobre el comportamiento de la materia ultradensa en los núcleos de las estrellas de neutrones», concluye Nils Andersson, coordinador del proyecto y profesor de Matemática Aplicada en la Universidad de Southampton.
Palabras clave
Burst3D, materia ultradensa, estrellas de neutrones, explosiones de tipo I, destellos de rayos X, combustión nuclear