En este artículo vamos a proponer un nuevo mecanismo de formación de estrellas de neutrones a partir de la generación de elementos superpesados por reacciones de fusión nuclear en el núcleo de estrellas que han realizado el ciclo completo, que han creado un núcleo de hierro y níquel.
Está dividido en varias partes. Primero describiremos qué es una estrella de neutrones. Luego haremos una somera descripción del ciclo nuclear completo de una estrella que acaba como un púlsar que es también el nombre con el que se las conoce. En una tercera parte describiremos la teoría clásica de cómo se forman este tipo de astros y a partir de ahí plantearemos la nueva hipótesis de su creación, a partir de fusiones nucleares y desintegraciones tipo beta.
Después intentaremos dar una posible explicación a la emisión de grandes cantidades de energía en forma de rayos gamma concentrados, lo que da nombre a los púlsar.
Para acabar, analizaremos la muerte de una estrella de neutrones y qué es lo que deja tras de sí.
¿Qué es una estrella de neutrones?
En 1967 se detectaron una serie de señales de radio de corta duración que reaparecían de forma regular procedentes del espacio. Inicialmente se pensó incluso que se trataba de una emisión realizada por una civilización extraterrestre. Poco después se descubrieron tres nuevos púlsares que emitían ondas de radio en otras frecuencias y desde otros lugares del espacio, lo que hizo que se desestimara la teoría del origen inteligente de esas señales, ya que no parecía lógico que varias civilizaciones extraterrestres separadas entre ellas decenas de años luz pudieran actuar de la misma manera.
A este nuevo tipo de astros se les llamó púlsares, por la emisión pulsante de radiación. Cuando se empezaron a estudiar se llegó a la conclusión de que se trataba de un tipo de estrella que giraba sobre sí misma a gran velocidad, con un potente campo magnético y que emitía energía electromagnética en forma de rayos gamma, X y radiofrecuencia por los polos, polos que no coincidían con el eje de rotación.
Para poder emitir tanta energía, la estrella debería tener una masa muy importante, y para poder girar a esas grandes velocidades, tendría que ser extremadamente densa. Se llegó a la conclusión de que, para poder cumplir con esas premisas de gran masa y pequeño tamaño, su composición sería masivamente de neutrones, partículas sin carga eléctrica.
Las estrellas de neutrones tienen normalmente una masa de alrededor de vez y media la del sol, concentrada en un diámetro de apenas 20 kilómetros. No llegan a ser un agujero negro, ya que no tienen la masa suficiente como para colapsar tanto. Se componen de una coraza sólida muy gruesa, de alrededor de 2 kilómetros de espesor en cuyo interior se encuentra una especie de líquido compuesto principalmente de neutrones.
Alrededor de ellas suele aparecer una nebulosa de partículas variadas ya que su formación se produce tras una supernova. La vida de las estrellas de neutrones es relativamente corta, de apenas 100 millones de años las más antiguas que se conocen.
Hay que tener en cuenta que todos los púlsares son estrellas de neutrones. Sin embargo no todas las estrellas de neutrones son púlsares.
Cómo se genera una estrella de neutrones
En el libro “La Tierra, ha nacido una estrella” se explica con detalle la evolución estelar que da lugar a una estrella de neutrones. Para empezar, debemos saber que las reacciones nucleares de las estrellas no sólo son la fusión del hidrógeno para generar helio. En estrellas más masivas que el sol, cuyos núcleos están más calientes y más densos, cuando se ha generado el suficiente helio, éste empieza a reaccionar entre sí formando carbono por el conocido como proceso triple alfa. El carbono, en esas circunstancias, reacciona con el hidrógeno presente para, con la reacción denominada CNO, generar nitrógeno y oxígeno, que se desintegra formando más helio.
Cuando la estrella ya es muy rica en carbono, éste se fusiona y empieza a generar silicio, magnesio y otros elementos. Las reacciones de fusión llegan a crear níquel que sufre una desintegración beta y se convierte en cobalto que a su vez tras otra desintegración beta degenera en hierro. La estrella está muy caliente, se ha convertido en una supergigante roja, con un núcleo muy denso y una nebulosa a su alrededor de hidrógeno que absorbe gran parte de la energía emitida por él y que al calentarse toma un tono rojizo.
Pero ésta última reacción, la de formación de hierro, ya no es exotérmica, no emite energía, sino que la absorbe. La estrella se empieza a enfriar a medida que se genera más hierro y al descender su temperatura, empieza a contraerse. Llega un momento en el que la densidad es tan grande que se produce una reacción en cadena, por el mismo principio que las explosiones de las bombas atómicas. En este caso son el hierro y el níquel los que fisionan, en una explosión nuclear de proporciones inimaginables, dando lugar a una supernova, uno de los episodios cósmicos más impresionantes que existen.
Estas supernovas, que duran muy poco tiempo, pueden brillar en el cielo nocturno más que cualquier otra estrella. Tras la explosión, alrededor de la estrella quedan los escombros con un alto contenido en hidrógeno. El núcleo sigue colapsando, pero ya no tiene la masa suficiente como para volver a explosionar. Se va enfriando y poco a poco se convierte en una estrella de neutrones al colapsar y aumentar su densidad.
Esta estrella se mantiene muy caliente por la alta densidad que presenta. Esta temperatura compensa las fuerzas gravitatorias extremas en la superficie de la estrella.
A la estrella le cuesta mucho emitir energía debido a lo deformado que está el espacio-tiempo a su alrededor. La energía que posee provoca que gire sobre sí misma a gran velocidad, creando un campo magnético extremadamente potente. Este campo magnético es el responsable de que la energía que emite se dirija a los polos que, como curiosidad, no se encuentran en el eje de rotación.
La estrella se comporta como una especie de radiofaro que lanza su señal al espacio siguiendo un patrón relacionado con su velocidad de giro y el la inclinación de su eje de rotación respecto a los polos magnéticos.
Generación de neutrones en una estrella de neutrones
La teoría clásica nos dice que los núcleos están tan aplastados por el colapso de la estrella que los electrones caen sobre los protones y generan neutrones. Un electrón de la capa más cercana al núcleo cae sobre él y se combina con un protón, dando lugar a un neutrón. En átomo mantiene su número másico, o sea, el número de nucleones que lo compone, pero disminuye su número atómico.
El hueco dejado por el electrón rápidamente lo ocupa otro electrón que cae de una capa electrónica superior, emitiendo energía al llegar a un nivel energético más estable. Por otro lado, al generarse el protón se emite un neutrino.
Al producirse este colapso de generación de neutrones se emiten fotones y neutrinos, que es lo que se detecta como emisión en las estrellas de neutrones. Además, esta generación de energía es lo que mantiene a la estrella lo suficientemente caliente como para contrarrestar el colapso gravitatorio y evitar que se convierta en un agujero negro.
Hipótesis de generación de una estrella de neutrones
La teoría clásica presenta una serie de problemas no resueltos. El primero es la existencia de electrones alrededor de los átomos durante el colapso gravitatorio. Generalmente las temperaturas en el núcleo de las estrellas son tan elevadas que la materia se encuentra en un estado de plasma. Este estado supone que los núcleos han perdido todos los electrones y éstos vagan por la estrella atrapados por el campo eléctrico de los núcleos atómicos.
Si la materia se encuentra en este estado, es difícil pensar que los electrones en las capas inferiores caigan sobre el núcleo, más que nada porque no hay electrones en esas capas.
Por otro lado, si bien en la superficie de la estrella el campo gravitatorio es muy importante, en el centro éste disminuye. Sabemos que el campo gravitatorio lo que hace es comprimir el espacio-tiempo. Por tanto, en la superficie de la estrella, el espacio-tiempo está muy deformado, las capas electrónicas están muy cerca del núcleo atómico, pero la densidad de materia es relativamente menor que en el núcleo de la estrella, donde la deformación del espacio-tiempo en considerablemente menor.
Por otro lado, el mecanismo de creación de electrones a partir de neutrones en una desintegración beta nos habla de un estado intermedio, el de pion negativo. Este proceso está explicado ampliamente en el libro “El quanto de energía”. El nucleón está compuesto por tres quarks, dos de ellos iguales y uno diferente. Un neutrón se compone de dos quarks tipo d y uno tipo u. En el núcleo se generan constantemente pares de quark-antiquark. Cuando se generan, por ejemplo, en un nucleón tipo neutrón, un par quark-antiquark tipo u, el quark creado puede desplazar a uno de tipo d, que se combinará con el antiquark tipo u para dar lugar por una parte a un protón, y por otra, a un pion negativo.
Este pion negativo, si se encuentra con un pion positivo dentro del núcleo atómico, se aniquilaría, devolviendo la energía de creación al núcleo. Sin embargo, si se escapa del núcleo, rápidamente decae perdiendo masa y dando lugar a un fotón gamma, a un neutrino y a un electrón.
Que ese electrón vuelva a convertirse en un pion negativo es bastante improbable ya que necesitaría para ello mucha energía y atrapar un neutrino, que es una de las partículas más esquivas que existen.
Por otro lado, los electrones están atrapados alrededor del núcleo atómico porque el campo eléctrico en las cercanías de éste no es constante como pronostica la teoría clásica, sino fluctuante, tal y como se explica también en el libro “El quanto de energía”. Esto significa que si bien cuando nos alejamos del núcleo atómico los campos eléctricos disminuyen proporcionalmente siguiendo la teoría de campos, en sus proximidades por efectos cuánticos se generan máximos de carga eléctrica a modo de túneles cuánticos que es donde se colocan los electrones.
Por último, es importante señalar el hecho de que cuanto mayor el el núcleo atómico, más neutrones se necesitan para conseguir la estabilidad. Así pues, por ejemplo, el núcleo del uranio tiene 92 protones, pero su isótopo más estable tiene 146 neutrones. Cuanto más pequeño es el átomo, más equilibrado está el número de protones respecto a los neutrones. El carbono, por ejemplo, tiene 6 protones e igual número de neutrones.
Partiendo de estos datos, vemos que en el núcleo de la estrella colapsando, el espacio-tiempo no está demasiado deformado. Aún así, la densidad es tan elevada que los núcleos están muy juntos, tanto que puede haber núcleos que hayan superado el campo de fuerza eléctrico que tiene cada uno de ellos a su alrededor. Estos núcleos pueden llegar a fusionarse en esas circunstancias de densidad extrema, creando elementos superpesados, probablemente desconocidos que en situaciones no tan extremas fisionarían.
Estos elementos, con unos núcleos de número másico muy elevado, sufrirían una importante desintegración beta, generando positrones (la antipartícula del electrón que se crea al decaer un protón en un neutrón). El número de neutrones de la estrella aumentaría exponencialmente según se crean núcleos más pesados, con una fuerte emisión de positrones, fotones gamma y neutrinos.
En la superficie de la estrella, si hay un fuerte campo magnético, los electrones se concentrarían en los polos magnéticos de la estrella, hacia donde se dirigirían también los positrones creados, aniquilándose entre ellos y dando lugar a una gran emisión de energía por esa aniquilación de materia y antimateria.
Por tanto, la hipótesis planteada es que la estrella de neutrones se produce por la generación de elementos superpesados debido al aumento de la densidad por el colapso de la estrella y la desintegración beta de los protones en neutrones para lograr la estabilidad de esos nuevos núcleos.
Emisión de radiación concentrada en los polos
Al analizar una estrella de neutrones es importante tener en cuenta ciertos efectos relativistas debidos a la importante deformación del espacio-tiempo en su superficie. Esta deformación ralentiza el tiempo en la superficie, por lo que, a efectos de un observador externo, los eventos que se produzcan suceden más despacio. Pero esa deformación tiene unos aspectos muy curiosos. Por ejemplo, esa deformación es unidireccional.
O lo que es lo mismo. Podemos observar cómo la estrella gira a gran velocidad sobre sí misma, pero la radiación electromagnética que emite sale ralentizada ya que es ella la que tiene que atravesar el espacio deformado. Le cuesta mucho tiempo, quizá años, poder salir del campo gravitatorio de esa estrella. Para cuando alcanza la velocidad de la luz ha pasado mucho tiempo debido a que el espacio concentrado cuesta mucho de recorrer.
En la superficie de la estrella, donde el espacio-tiempo está muy deformado, la densidad es muy elevada, pero no suficiente como para que se produzca el efecto de fusión hacia nuevos elementos más pesados. Esto es porque aunque hay muchos átomos juntos, el espacio que ocupan también está comprimido.
Sin embargo, en el interior de la estrella, la gravedad disminuye y con ella la deformación del espacio-tiempo. Por contra, los átomos se encuentran más cerca unos de otros, la densidad relativa al espacio-tiempo en el interior aumenta exponencialmente. En esas zonas es donde se producen las reacciones de fusión que da lugar a elementos más pesados, donde se genera la estrella de neutrones.
En cambio, en el exterior, la capa solidificada probablemente esté compuesta de materiales ferromagnéticos, principalmente hierro y níquel que, al girar a gran velocidad, es la que crea el intenso campo magnético que caracteriza a los púlsares. Y es ese campo magnético el que dirige a los electrones y positrones, a modo de corriente eléctrica, hacia los polos, donde se produce su aniquilación con la emisión de grandes cantidades de energía en forma de radiación electromagnética en múltiples y variadas frecuencias, desde ondas de radio hasta rayos X o radiación gamma.
El giro de la superficie se da en los dos ejes, por lo que la posición de los polos, por donde se emite la radiación electromagnética, varía constantemente a los largo de toda la superficie de la estrella.
El final de la estrella de neutrones
Las condiciones en la que una estrella de neutrones se mantiene estable es muy compleja. Si no se desintegra, girando a las velocidades a las que se mueve, es por la extrema fuerza de gravedad que genera. En este equilibrio intervienen varios factores. El primero, la energía que posee la estrella y las fuerzas que se producen al girar a gran velocidad. Otro es la emisión de energía que se produce, que hace que la propia estrella pierda energía y masa y la tercera, la fuerza de la gravedad que la mantiene unida.
Tarde o temprano la estrella saldrá de ese equilibrio que la mantiene unida y cuando eso ocurra, explotará, disgregándose. Su coraza externa desaparecerá y los átomos superpesados e inestables que se encuentran en su interior fisionarán, con una emisión importante de neutrones. Esos neutrones rápidamente decaerán en protones debido a la desintegración beta que sufrirán.
Alrededor de la estrella se formará una nebulosa de protones, una gran nube de hidrógeno. Aparecerán otros elementos procedentes de la superficie de la estrella de neutrones, de la desintegración de los elementos superpesados generados, pero el elemento principal en este caso será el hidrógeno.
Esa nube de hidrógeno puede, con el tiempo, llegar a formar otra estrella tras colapsar e iniciar las reacciones de fusión para formar helio y otros elementos. Esta hipótesis además se plantea en el libro “La Tierra, ha nacido una estrella” para explicar el hecho de que no se encuentre ninguna supergigante roja en las cercanías del sistema solar.
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Enlaces relacionados
La Tierra, ha nacido una estrella
Cómo funciona una bomba termonuclear
Estrella de neutrones, Wikipedia
Estrellas de neutrones, Unex (PDF)
La vida privada de las estrellas, Estrellas de neutrones, El Tamiz
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Original planteamiento. Si lo comparamos con la teoría clásica del decaimiento de los electrones en el núcleo aniquilándose con los protones, tiene una base más sólida. Me gustaría que hubiera más físicos opinando.
Entonces en condiciones especiales de gran gravedad podríamos concluir que se pueden formar elementos hiperpesados que para lograr ser estables incrementan su carga de neutrones mediante el decaimiento de los protones.
Original. Me gusta la hipótesis.