La Nasa Resolverá Un Misterio De Física Masiva Este Verano

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¿de qué tamaño es un púlsar?

Un fotón de alta energía tarda 512 años en viajar desde la estrella de neutrones más cercana a la Tierra. Sólo algunos de ellos hacen el viaje. Pero llevan la información necesaria para resolver una de las preguntas más difíciles en astrofísica.

Los fotones se disparan al espacio en un apuro energético. Rayos calientes de energía de rayos X brotaron de la superficie del diminuto y ultradenso remanente giratorio de una supernova. Las vigas se dispersan durante largos siglos en tránsito. Pero de vez en cuando, un único punto de luz de rayos X que ha viajado 157 parsecs (512 años luz) a través del espacio (32 millones de veces la distancia entre la Tierra y el Sol) se gasta contra el X de la Estación Espacial Internacional (ISS) Telescopio de rayo, apodado NICER. Luego, en la Tierra, un archivo de texto ingresa a un nuevo punto de datos: la energía del fotón y su tiempo de llegada, medido con microsegundos de precisión.

Ese punto de datos, junto con otros innumerables como el que se recopiló en el transcurso de los meses, responderá una pregunta básica tan pronto como el verano de 2018: ¿Qué tan ancho es J0437-4715, el vecino estrella de neutrones más cercano de la Tierra?

Si los investigadores pueden descubrir el ancho de una estrella de neutrones, la física Sharon Morsink le dijo a una multitud de científicos en la reunión de abril de 2018 de la American Physical Society (APS), que la información podría indicar el camino hacia la solución de uno de los grandes misterios de la física de partículas: cómo ¿Se comporta la materia cuando es empujada a sus extremos más salvajes? [A 10 fanáticos de Star Trek de Tecnologías futuristas les encantaría]

En la Tierra, dada la tecnología existente de la humanidad, hay algunos límites estrictos sobre cómo la materia densa puede llegar a ser, incluso en laboratorios extremos, e incluso límites más duros sobre cuánto tiempo puede sobrevivir la materia más densa que hacen los científicos. Eso significa que los físicos no han podido descubrir cómo se comportan las partículas en densidades extremas. Simplemente no hay muchos buenos experimentos disponibles.

"Hay una serie de metodologías diferentes que la gente piensa para decir qué tan súper densa debe comportarse, pero no todas están de acuerdo", dijo Morsink, físico de la Universidad de Alberta y miembro de un grupo de trabajo de la NASA. Enfocado en el ancho de las estrellas de neutrones, dijo WordsSideKick.com. "Y la forma en que no todos están de acuerdo puede ser probada porque cada uno de ellos hace una predicción de cuán grande puede ser una estrella de neutrones".

En otras palabras, la solución al misterio de la materia ultradense está encerrada dentro de algunos de los objetos más densos del universo: las estrellas de neutrones. Y los científicos pueden descubrir ese misterio tan pronto como miden con precisión cuán amplias (y, por lo tanto, densas) son realmente las estrellas de neutrones.

Física de partículas en el espacio profundo.

"Las estrellas de neutrones son los objetos más escandalosos de los que la mayoría de la gente nunca ha oído hablar", dijo el científico de la NASA Zaven Arzoumanian a los físicos en la reunión en Columbus, Ohio.

Arzoumanian es uno de los jefes del proyecto Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) de la NASA, que constituye la base técnica para el trabajo de Morsink. NICER es un telescopio grande y giratorio montado en la ISS; monitorea y mide con precisión los rayos X que llegan a la zona de la órbita terrestre baja desde el espacio profundo.

Una estrella de neutrones es el núcleo que queda tras una explosión de supernova masiva, pero se cree que no es mucho más ancha que una ciudad mediana. Las estrellas de neutrones pueden girar a altas fracciones de la velocidad de la luz, disparando rayos parpadeantes de energía de rayos X al espacio con una sincronización más precisa que el tictac de los relojes atómicos.

Y lo más importante para los propósitos de Morsink y sus colegas, las estrellas de neutrones son los objetos más densos conocidos en el universo que no se han derrumbado en agujeros negros, pero a diferencia de los agujeros negros, es posible que los científicos descubran qué ocurre dentro de ellos. Los astrónomos solo necesitan saber con precisión cuán amplias son realmente las estrellas de neutrones, y NICER es el instrumento que finalmente debería responder a esa pregunta.

Sopa de quark

Los científicos no saben exactamente cómo se comporta la materia en el núcleo extremo de una estrella de neutrones, pero entienden lo suficiente como para saber que es muy raro.

Daniel Watts, un físico de partículas en la Universidad de Edimburgo, dijo a una audiencia separada en la conferencia de APS que el interior de una estrella de neutrones es esencialmente una gran gran pregunta.

Los científicos tienen algunas mediciones excelentes de las masas de estrellas de neutrones. La masa de J0437-4715, por ejemplo, es aproximadamente 1.44 veces la del sol, a pesar de ser más o menos del tamaño del Bajo Manhattan. Eso significa, dijo Morsink, que J0437-4715 es mucho más denso que el núcleo de un átomo, por mucho el objeto más denso que los científicos encuentran en la Tierra, donde la gran mayoría de la materia de un átomo se acumula en una pequeña mancha en su centro.

En ese nivel de densidad, explicó Watts, no está del todo claro cómo se comporta la materia. Los quarks, las diminutas partículas que forman los neutrones y los protones, que forman los átomos, no pueden existir libremente por sí solos. Pero cuando la materia alcanza densidades extremas, los quarks podrían seguir uniéndose a partículas similares a las de la Tierra, o formar partículas más grandes y complejas, o quizás formar una sopa de partículas más generalizada. [7 hechos extraños sobre los quarks]

Lo que los científicos saben, dijo Watts a WordsSideKick.com, es que los detalles de cómo se comporta la materia en densidades extremas determinarán qué tan grandes son las estrellas de neutrones en realidad. Entonces, si los científicos pueden obtener mediciones precisas de las estrellas de neutrones, pueden reducir el rango de posibilidades de cómo se comporta la materia en esas condiciones extremas.

Y responder a esa pregunta, dijo Watts, podría desbloquear respuestas a todo tipo de misterios de la física de partículas que no tienen nada que ver con las estrellas de neutrones. Por ejemplo, dijo, podría ayudar a responder cómo los neutrones individuales se organizan en los núcleos de átomos muy pesados.

Las mediciones de NICER llevan tiempo

La mayoría de las estrellas de neutrones, dijo Morsink, se cree que tienen una anchura de entre 12 y 17 millas (20 y 28 kilómetros), aunque podrían ser tan estrechas como 16 kilómetros (10 millas). Es un rango muy estrecho en términos de astronomía, pero no lo suficientemente preciso como para responder a los tipos de preguntas que Morsink y sus colegas están interesados.

Para buscar respuestas aún más precisas, Morsink y sus colegas estudian los rayos X provenientes de "puntos calientes" que giran rápidamente en estrellas de neutrones.

Aunque las estrellas de neutrones son esferas increíblemente compactas, sus campos magnéticos hacen que la energía que sale de sus superficies sea bastante desigual. Se forman manchas brillantes y hongos en sus superficies, girando en círculos mientras las estrellas giran muchas veces por segundo.

Ahí es donde NICER entra. NICER es un telescopio grande y giratorio montado en la ISS que puede sincronizar la luz proveniente de esos parches con una regularidad increíble.

Eso permite a Morsink y sus colegas estudiar dos cosas, las cuales pueden ayudarles a determinar el radio de una estrella de neutrones:

1. La velocidad de rotación: Cuando la estrella de neutrones gira, dijo Morsink, el punto brillante en su superficie parpadea hacia y alejándose de la Tierra casi como el rayo de un faro que gira en círculos. Morsink y sus colegas pueden estudiar cuidadosamente los datos del NICER para determinar exactamente cuántas veces está parpadeando la estrella en cada momento y qué tan rápido se está moviendo el punto brillante a través del espacio. Y la velocidad del movimiento del punto brillante es una función de la velocidad de rotación de la estrella y su radio. Si los investigadores pueden averiguar la rotación y la velocidad, el radio es relativamente fácil de determinar.

2. Flexión ligera: Las estrellas de neutrones son tan densas que NICER puede detectar fotones desde el punto brillante de la estrella que se disparó al espacio mientras el punto estaba alejado de la Tierra. El pozo de gravedad de una estrella de neutrones puede doblar la luz tan bruscamente que sus fotones se vuelven hacia el sensor de NICER y se estrellan contra él. La velocidad de curvatura de la luz también es una función del radio de la estrella y su masa. Entonces, al estudiar cuidadosamente la cantidad de luz de una curva de masa conocida, Morsink y sus colegas pueden descubrir el radio de la estrella.

Y los investigadores están cerca de anunciar sus resultados, dijo Morsink. (Varios físicos en su charla de APS expresaron una ligera decepción por no haber anunciado un número específico, y la emoción de que se avecinaba).

Morsink le dijo a WordsSideKick.com que ella no estaba tratando de molestar el próximo anuncio. NICER aún no ha recopilado suficientes fotones para que el equipo ofrezca una buena respuesta.

"Es como sacar un pastel del horno demasiado pronto: simplemente terminas con un desastre", dijo.

Pero los fotones están llegando, uno por uno, durante los meses de estudio periódico de NICER. Y una respuesta se acerca. En este momento, el equipo está observando los datos de J0437-4715 y la próxima estrella de neutrones más cercana de la Tierra, que es aproximadamente el doble de la distancia.

Morsink dijo que no está segura de qué radio de estrella de neutrones publicarán ella y sus colegas primero, pero agregó que ambos anuncios llegarán dentro de unos meses.

"El objetivo es que esto suceda más tarde este verano, donde el" verano "se está utilizando en un sentido bastante amplio", dijo. "Pero diría que para septiembre deberíamos tener algo".

Publicado originalmente en Ciencia viva.


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