27 de agosto de 2007

Nuevo método pionero para sondear la materia exótica

Imagen: Bhattacharyya & Strohmayer

Usando satélites con telescopios de rayos X de la Agencia Espacial Europea, ESA; de la Agencia Espacial Japonesa, JAXA, y de la NASA, astrónomos la distorsión del espacio-tiempo prevista por Einstein alrededor de tres estrellas de neutrones, y haciendo esto, desarrollaron una técnica pionera para determinar las propiedades de estos objetos ultra-densos.

Las estrellas de neutrones contienen la materia observable más densa del Universo. Comprimen más material que el que guarda el Sol pero en una esfera del tamaño de una ciudad, lo que significa que unas tazas de materia de la estrella de neutrones superarían el peso del monte Everest. Los astrónomos utilizan estas estrellas colapsadas como laboratorios naturales para estudiar cómo la materia se puede comprimir firmemente bajo las presiones más extremas que la naturaleza puede ofrecer.

"Esto es física fundamental," dice Sudip Bhattacharyya del Centro del Vuelos Espaciales Goddard, de la NASA, en Greenbelt,. y del Collage Park, de la Universidad de Maryland. "Podría haber clases exóticas de partículas o estados de la materia, tales como materia del quark, en los centros de las estrellas de neutrones, pero es imposible crearlas en el laboratorio. La única manera de descubrirlo es entender las estrellas de neutrones."

Para tratar este misterio, los científicos deben medir con precisión y exactamente los diámetros y las masas de las estrellas de neutrones. En dos estudios concurrentes, uno con el observatorio de rayos X XMM Newton, de la Agencia Espacial Europea, ESA, y el otro con el observatorio de rayos X Suzaku de la Agencia Espacial de Japón, JAXA, y de la NASA, los astrónomos han realizado un gran avance.

Usando XMM Newton, Bhattacharyya y su colega Tod Strohmayer del Goddard, observaron un sistema binario conocido como Serpens X-1, que contiene una estrella de neutrones y una compañera estelar. Estudiaron una línea espectral de átomos calientes de hierro que están girando alrededor en un disco apenas más allá de la superficie de la estrella de neutrones a un 40% de la velocidad de la luz.

Los observatorios anteriores de rayos X detectaron líneas de hierro alrededor de las estrellas de neutrones, pero carecieron de la sensibilidad para medir las formas de las líneas detalladamente. Gracias a los grande espejos de XMM-Newton, Bhattacharyya y Strohmayer encontraron que la línea del hierro es ensanchaba asimétricamente por la velocidad extrema del gas, que dispersa y distorsiona la línea debido al efecto Doppler y los efectos previstos por la teoría especial de la relatividad de Einstein. La distorsión del espacio-tiempo por la gravedad de gran alcance de la estrella de neutrones, un efecto de la teoría general de la relatividad de Einstein, cambia de posición a la línea del hierro de la estrella de neutrones a longitudes de onda más largas.

"Hemos visto estas líneas asimétricas en muchos agujeros negros, pero ésta es la primera confirmación que las estrellas de neutrones pueden producirlos también. Demuestra que la forma en que las estrellas de neutrones acrecientan materia no es muy diferente de la de los agujeros negros, y nos da una herramienta para probar la teoría de Einstein," dice Strohmayer.

Un grupo liderado por Edward Cackett y Jon Miller, de la Universidad de Michigan, que incluye Bhattacharyya y Strohmayer, utilizó las capacidades espectrales magníficas de Suzaku para examinar tres estrellas de neutrones binarias: Serpens X-1, GX 349+2, y 4U 1820-30. Este equipo observó una línea casi idéntica del hierro en Serpens X-1, confirmando el resultado del XMM-Newton. Detectó líneas del hierro también sesgadas del mismo modo en los otros dos sistemas.

"Estamos viendo el gas girando alrededor de apenas afuera de la superficie de la estrella de neutrones," dice Cackett. "Y puesto que la parte interna del disco no puede orbitar obviamente más cerca que la propia superficie de la estrella de neutrones, estas medidas nos dan un tamaño máximo para el diámetro de la estrella de neutrones. La estrella de neutrones no pueden ser más grandes que 29 a 33 kilómetros de diámetro, resultados que están de acuerdo con otros tipos de medidas."

"Ahora que hemos visto esta línea relativista del hierro alrededor de tres estrellas de neutrones, hemos establecido una nueva técnica," agrega Miller. "Es muy difícil medir la masa y el diámetro de una estrella de neutrones, así que necesitamos varias técnicas, trabajando juntas, para alcanzar esa meta."

Saber el tamaño y la masa de la estrella de neutrones permite a los físicos describir la "ecuación estado" de la materia empaquetada dentro de estos objetos increíblemente densos. Además de usar estas líneas del hierro para probar la teoría general de la relatividad de Einstein, los astrónomos pueden sondear las condiciones en el interior del disco de acreción de la estrella de neutrones.

El trabajo del XMM-Newton apareció Astrophysical Journal Letters del 1 de agosto. El trabajo del Suzaku ha sido presentado para publicación en el mismo Journal.

(jg)

Más información en:
http://www.nasa.gov/