Estrellas de neutrones y ondas gravitacionales

Detector LIGO. Foto: NASA.

Quizás las ondas gravitacionales puedan ser detectadas gracias a las emisiones de estrellas de neutrones montañosas.
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Detector LIGO. Foto: NASA.

Según un estudio de simulación numérica la corteza de las estrellas de neutrones tendría una dureza 10.000 millones de veces la del acero y podría mantener montañas, con lo que estos objetos podrían emitir ondas gravitacionales que podrían ser detectadas por LIGO.

Las ondas gravitacionales son una predicción de la Relatividad General y consistirían en unas ondas del propio espacio-tiempo que se moverían a la velocidad de la luz. Son un poco más complicadas que las ondas a las que estamos acostumbrados. Ahora mismo estaríamos atravesados por algunas de ellas de tal modo que nosotros y cualquier otro objeto se expandiría y encogería infinitesimalmente a su paso. Son tan débiles que todavía no se han conseguido detectar, pero según indican algunas observaciones astronómicas en sistemas de púlsares, éstos pierden energía al mismo ritmo que teóricamente emitirían ondas gravitacionales.

Desde hace unos años se están realizando esfuerzos por detectar estas ondas gravitacionales usando interferómetros kilométricos. Tienen forma de L y un haz luz rebota una y otra vez en los extremos de tal modo que si unas ondas gravitacionales hacen encogerse y estirarse sus brazos, aunque sea una pequeña fracción del diámetro atómico, entonces estas ondas podrían ser detectadas.

Estos interferómetros son tan sensibles, que por desgracia también detectan si a kilómetros de distancia alguien tala un árbol. Microseismos y otras fuentes de vibración en la Tierra también introducen ruido en el sistema. Por esta razón hay varios de estos observatorios, situados en distintas partes de mundo, que deben de sentir simultáneamente esas ondas si la fuente de las mismas es astrofísica. Además, de este modo, se puede deducir la dirección desde donde llegan.

Sólo los fenómenos gravitatorios más energéticos del Universo pueden producir ondas gravitacionales lo suficientemente intensas como para que las podamos detectar. Uno de esos fenómenos son las estrellas de neutrones, que son remanentes de explosiones de supernova. Tienen un tamaño de unos 10 Km y una masa del orden de la del Sol, por lo que alcanzan una densidad enorme. Una cucharadita de este tipo de estrellas tendría una masa de 100 millones de toneladas. En ellas gran parte de los átomos han colapsado en un gigantesco “núcleo atómico” compuesto por neutrones.

Lo interesante de estos cuerpos es que si tienen montañas, el propio giro de la estrella (a veces cientos de veces por segundo) debe de producir una irradiación de ondas gravitatorias, porque el grado de curvatura del espacio-tiempo inducido por las montañas cambia ligeramente el producido por el propio cuerpo, arrastrando el propio espacio consigo y generando ondas en él de manera muy eficiente.
La cuestión es que no se sabe si los interferómetros (actualmente en proceso de mejora) llegarían o no a detectar estas ondas producidas de esa manera, entre otras cosas porque no se sabe el tamaño de esas montañas.

Ahora Charles Horowitz de Indiana University y Kai Kadau de Los Alamos National Laboratory muestran en una simulación que las estrellas de neutrones montañosas deben de producir ondas gravitatorias lo suficientemente intensas como para que las podamos detectar con la actual tecnología porque es posible tener montañas de suficiente tamaño. Por tanto, la posibilidad de detección de este tipo de ondas sería superior a lo que se creían hasta ahora.

El estudio de estas ondas nos daría además pistas sobre el comportamiento de la materia a densidades extremas y haría realidad la Astronomía de ondas gravitatorias.
Se especula que las montañas o bultos en la corteza de este tipo de objetos que generan ondas gravitacionales serían el resultado de reacciones nucleares dependientes de la temperatura cerca de puntos calientes. Tenemos pruebas de que estas montañas existen realmente. A veces se detectan intensas erupciones de rayos cósmicos procedentes de estos cuerpos. Se cree que se producen cuando algunas de estas montañas colapsan. Estos investigadores creen que la única manera de explicar esta tremenda liberación de energía es suponer que la corteza es realmente muy dura y que al romperse libera la energía almacenada en la propia corteza y en el campo magnético.

Han conseguido calcular qué altura deben de tener esas supuestas montañas antes de que colapsen bajo el intenso campo gravitatorio. Sus simulaciones computacionales, basadas en dinámica molecular sobre 12 millones de partículas, tienen en cuenta las fuerzas de Coulomb entre las partículas cargadas que deben de estar presentes en la corteza y cómo la corteza de la estrella se deforma bajo las fuerzas de cizalladura. Han encontrado que si la corteza está hecha de un sólo monocristal (esto no significa que sea transparente, sino que sus partículas constituyentes se disponen ordenadamente formando una red cristalina) la corteza se puede deformar entre un 10% y un 15% antes de que se rompa. Esto significa que la corteza de estos objetos sería 10.000 millones de veces más resistente que el acero.

Además han encontrado que las impurezas, defectos y fronteras de grano no reducen esta resistencia por debajo del 10%. Calculando a partir de esto la altura de las montañas los investigadores concluyen que la estrella de neutrones debe de generar ondas gravitacionales detectables por LIGO, un par de interferómetros localizados en EEUU.

Horowitz afirma que las simulaciones sobre la ruptura de la corteza de las estrellas de neutrones ayudará a entender mayor las erupciones de rayos gamma energéticos producidos por las estrellas de neutrones. Los investigadores creen que estas erupciones son el resultado de la energía liberada cuando las líneas de campo magnético de la estrella de neutrones rompen la corteza y entonces se reconectan cuando la corteza se mueve. Si se entiende mejor cómo y cuándo se rompe la corteza entonces se podrá mejorar el modelo de terremoto en las estrellas de neutrones y hacer mejores comparaciones con las observaciones.

Estos investigadores especulan además con que la dureza de la corteza en las estrellas de neutrones puede servir para mejorar la resistencia de materiales convencionales en la Tierra. Según él se podrían fabricar materiales más resistentes basándose en las características de la corteza de las estrellas de neutrones.

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0904/0904.1986v1.pdf

http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000102000019191102000001&idtype=cvips&gifs=yes