Relatividad en las estrellas de neutrones

Los científicos que observan las estrellas de neutrones persiguen cuestiones de física fundamental, ya que estos astros contienen partículas exóticas y estados de la materia imposibles de recrear en un laboratorio. El primer paso a seguir para adentrarse en estos misterios es medir con absoluta precisión el diámetro y la masa de las estrellas de neutrones. Como la propia estrella de neutrones, el espacio a su alrededor resulta igualmente extremo. Los movimientos del gas en este medio se describen mediante la Teoría General de la Relatividad.

El investigador de la U-M Edward Cackett y su profesor asistente Jon Miller son los autores principales de este trabajo enviado a Astrophysical Journal Letters para su publicación. Un estudio independiente de Sudip Bhattacharyya y Tod Strohmayer del Goddard Space Flight Center (NASA) reforzó el trabajo anterior y los resultados conjuntos demostraron que existía . La NASA describió el hallazgo como un gran paso hacia delante.

El equipo de la U-M utilizó el satélite observatorio de rayos X Suzaku (Japón-NASA) para sondear tres estrellas de neutrones binarias: Serpens X-1, GX 349+2, y 4U 1820-30. El objetivo era estudiar las líneas espectrales de los átomos de hierro calientes que giran en un disco justo sobre la superficie de la estrella de neutrones a un 40% de la velocidad de la luz. Otros observatorios de rayos X habían detectado estas líneas previamente pero carecían de la sensibilidad necesaria para obtener las formas de las líneas en detalle.

Cackett y Miller, así como los astrónomos del Goddard, averiguaron que la línea del hierro se ensanchaba asimétricamente por la extrema velocidad del gas. La distorsión de la línea se debe al efecto Doppler y a la amplificación predicha por la Teoría Especial de la Relatividad. La curvatura del espacio-tiempo que provoca la potentísima gravedad de la estrella de neutrones, como resultado de la Relatividad General, desplaza la línea del hierro hacia longitudes de onda más largas.

La línea del hierro que Cackett y Miller observaron en Serpens X-1 era casi idéntica a la observada por Bhattacharyya y Strohmayer por medio de un satélite diferente: el XMM-Newton, de la Agencia Europea Espacial. En los otros sistemas estelares también se observaron líneas parecidas.

El gas observado gira justo al exterior de la superficie de la estrella de neutrones y como obviamente la zona más interna del disco no puede orbitar más cerca que la propia superficie estelar, estas medidas aportan un tamaño máximo para el diámetro de la estrella de neutrones, que no supera los 30 ó 32 km. De hecho, los resultados concuerdan con otro tipo de medidas realizadas. Conocer la masa y tamaño de una estrella de neutrones permite a los físicos describir la rigidez o "ecuación de estado" de la materia prensada en estos objetos increíblemente densos. Además de aprovechar las líneas del hierro para probar la Teoría General de la Relatividad, los astrónomos pueden indagar sobre las condiciones del área más interna del disco de acrección de una estrella de neutrones.

Es muy complicado medir el tamaño y la masa de una estrella de neutrones, por eso fue necesario combinar varias técnicas para obtener un resultado tan claro.