Un nuevo estudio ha revelado el origen retorcido de las misteriosas 'arritmias' que se producen en los pulsos que emiten las estrellas de neutrones.
Cuando estos restos ultradensos de estrellas masivas que explotaron en supernovas se descubrieron por primera vez en 1967, los astrónomos pensaron que sus extraños pulsos periódicos podrían ser señales de una civilización extraterrestre. Aunque ahora sabemos que estos "latidos" se originan a partir de rayos de radiación de cadáveres estelares, no de vida extraterrestre, su precisión los convierte en excelentes relojes cósmicos para estudiar fenómenos astrofísicos, como las velocidades de rotación y la dinámica interna de los cuerpos celestes.
A veces, sin embargo, su precisión de reloj se ve alterada por pulsos que inexplicablemente llegan antes, lo que indica una falla o una aceleración repentina en los giros de las estrellas de neutrones. Aunque sus causas exactas siguen sin estar claras, se ha observado que las energías de falla siguen la ley de potencia (también conocida como ley de escala), una relación matemática que se refleja en muchos sistemas complejos, desde la desigualdad de la riqueza hasta los patrones de frecuencia-magnitud en los terremotos. Así como los terremotos más pequeños ocurren con mayor frecuencia que los más grandes, las fallas de baja energía son más comunes que las de alta energía en las estrellas de neutrones.
Al volver a analizar 533 conjuntos de datos actualizados de observaciones de estrellas de neutrones que giran rápidamente, llamadas púlsares, un equipo de físicos descubrió que su propuesta de red de vórtices cuánticos se alinea naturalmente con los cálculos sobre el comportamiento de la ley de potencia de las energías de falla sin necesidad de ajustes adicionales, a diferencia de los modelos anteriores. Sus hallazgos se publican en la revista Scientific Reports.
"Ha pasado más de medio siglo desde el descubrimiento de las estrellas de neutrones, pero todavía no se entiende el mecanismo por el que se producen los fallos. Por eso propusimos un modelo para explicar este fenómeno", dijo el autor correspondiente del estudio Muneto Nitta, profesor especialmente designado e investigador co-principal del Instituto Internacional de Sostenibilidad con Materia Meta Quiral Anudada (WPI-SKCM2) de la Universidad de Hiroshima.
Estudios anteriores han propuesto dos teorías principales para explicar estos fallos: terremotos estelares y avalanchas de vórtices superfluidos. Si bien los terremotos estelares, que se comportan como terremotos, podrían explicar el patrón de ley de potencia observado, no podrían explicar todos los tipos de fallos. Los vórtices superfluidos son la explicación más invocada.
"En el escenario estándar, los investigadores consideran que la avalancha de vórtices no fijados podría explicar el origen de los fallos", dijo Nitta.
Sin embargo, no ha habido consenso sobre qué podría desencadenar una avalancha catastrófica de vórtices.
"Si no hubiera fijación, significaría que el superfluido libera vórtices uno por uno, lo que permite un ajuste suave en la velocidad de rotación. No habría avalanchas ni fallos", dijo Nitta.
"Pero en nuestro caso, no necesitábamos ningún mecanismo de fijación ni parámetros adicionales. Solo necesitábamos considerar la estructura de los superfluidos de ondas p y ondas s. En esta estructura, todos los vórtices están conectados entre sí en cada grupo, por lo que no pueden liberarse uno por uno. En cambio, la estrella de neutrones tiene que liberar una gran cantidad de vórtices simultáneamente. Ese es el punto clave de nuestro modelo".
Mientras que el núcleo superfluido de una estrella de neutrones gira a un ritmo constante, su componente ordinario reduce su velocidad de rotación liberando ondas gravitacionales y pulsos electromagnéticos. Con el tiempo, la discrepancia entre sus velocidades aumenta, por lo que la estrella expulsa vórtices superfluidos, que llevan una fracción del momento angular, para recuperar el equilibrio. Sin embargo, a medida que los vórtices superfluidos se enredan, arrastran a otros con ellos, lo que explica los fallos.
Para explicar cómo los vórtices forman cúmulos retorcidos, los investigadores propusieron la existencia de dos tipos de superfluidos en las estrellas de neutrones. La superfluidez de ondas S, que domina el entorno relativamente más dócil del núcleo externo, favorece la formación de vórtices cuantificados con números enteros (IQV). Por el contrario, la superfluidez de ondas p que prevalece en las condiciones extremas del núcleo interno favorece los vórtices semicuantizados (HQV).
Como resultado, cada IQV en el núcleo externo de ondas s se divide en dos HQV al entrar en el núcleo interno de ondas p, formando una estructura superfluida similar a un cactus conocida como boojum. A medida que más HQV se separan de IQV y se conectan a través de boojums, la dinámica de los cúmulos de vórtices se vuelve cada vez más compleja, de manera muy similar a los brazos de los cactus que brotan y se entrelazan con las ramas vecinas, creando patrones intrincados.
Los investigadores realizaron simulaciones y descubrieron que el exponente del comportamiento de la ley de potencia de las energías de falla en su modelo (0,8 +/- 0,2) coincidía estrechamente con los datos observados (0,88 +/- 0,03). Esto indica que el marco propuesto refleja con precisión las fallas de las estrellas de neutrones del mundo real.
