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Relojes irregulares gracias a sus dadivosas compañeras

Es casi imposible escapar a los relojes. Los tenemos en nuestros teléfonos, en nuestras muñecas, colgados en las paredes y corriendo en nuestras computadoras. De manera menos regular también las “manecillas” de nuestro reloj biológico continúan corriendo, y así también rítmica y predeciblemente el Sol se eleva y desciende cada día. Todo tratando de marcar, lo mejor que puede, el inexorable paso del tiempo. Para encontrar los más antiguos y confiables relojes, tenemos que buscar más allá de la tierra adentrándonos en el vasto universo entre las estrellas. Los púlsares son estrellas de neutrones con un muy fuerte campo magnético nacidas de la muerte de estrellas masivas. Estos van iluminando el universo como faros de ondas de radios (y a veces rayos X). Estos parecen “pulsar” o “parpadear” a medida que las ondas emitidas entran y salen de nuestro campo de visión. Estas estrellas giran increíblemente rápido, de hecho las más rápidas, los pulsares de milisegundos, pueden “parpadear” a casi 1000 veces por segundo. De alguien estar en el ecuador del pulsar más rápido conocido  estaría girando a 75,000 km/s o un cuartro de la velocidad de la luz. El pulsar más despacio conocido (PSR J2144-3933) realiza una vuelta completa cada 8.5 segundos, esto es todavía mucho más rápido que las 24 horas que le toma a la tierra un giro. Los intervalos entre los resplandores recibidos de los pulsares son tan confiables que pudieran ser comparados a relojes atómicos. Estos han sido la base de un propuesto sistema de posicionamiento relativista (una especie de GPS para el sistema solar). Para la mayoría de este tipo de estrellas que emiten ondas de radio su comportamiento es en su mayormente predecible. Su velocidad rotacional disminuye gradualmente a medida que estos emiten fotones y posiblemente ondas gravitacionales, o bien expelen material relativista. Pero hay ciertos miembros de esta clase de estrellas que presentan un comportamiento peculiar. Algunos presentan cambios repentinos en su velocidad rotacional. Este aumento repentino en su velocidad es lo que los astrónomos llama “glitch” en inglés. Pero la situación es diferente para otros miembros de este tipo de estrellas. Algunas comienzan a girar más rápido, otros más despacio o bien mantienen su velocidad rotacional. Pero existen algunas de estas estrellas que desconcentantemente al al parecer al azar cambian su velocidad de giro, a veces la aumentan para luego disminuirla. ¿Que ocasiona esta falta de estabilidad en sus giros? Sus compañeros, una estrella de secuencia principal en una órbita binaria con el pulsar. La estrella compañera eventualmente comienza a expandirse a medida que comienza a fusionar elementos más pesados que el hidrógeno. El púlsar entonces podría desviar parte del material de las capas exteriores de la estrella expandida y canalizar el material a través de sus lineas de campo magnético hasta su superficie. A medida que el material cae hacia la superficie este emite rayos X. Por esta razón este tipo de púlsares son llamados púlsares de rayos X. A medida que el material atraído es asimilado por el púlsar, el momento angular que tenía el material puede ocasionar la disminución de su rotación y hasta ocasionar un cambio en la dirección de rotación. Si bien el material atraído al púlsar puede cambiar la velocidad de rotación del púlsar, curiosamente a estos rara vez se les han detectado unos de estos aumentos drásticos en su rotación que los astrónomos llaman “glitches.”

Animación ilustrado un púlsar de milisegundos en un sistema binario con una estrella acompañante.  Crédito: NASA

Animación ilustrado un púlsar de milisegundos en un sistema binario con una estrella acompañante. Crédito: NASA

¿Como podríamos detectar un “glitch” en uno de estos púlsares de rayos X? Esto requeriría conocer la causa de estos “glitches,” lo que todavía no se conoce. Para darle respuesta a que los ocasiona es preciso entender la física de materiales a altas densidades. Los pulsares son estrellas extremadamente densas. En un radio de a penas unos 12 kilómetros pueden contener el equivalente a varias masas solares. Esto significaría una densidad, aproximadamente, un millón de veces mayor a la del sol. Estas densidades significan que los protones y electrones forman un fluido en el interior de la estrella. La densidad disminuye mientras más lejos del centro y los iones ya pueden formar una superficie solida cristalina en la superficie. A medida que la velocidad de rotación del púlsar disminuye (aumenta), el púlsar se vuelve menos (más) achatado por los polos. Pero la superficie solida resiste este cambio. A medida que pasa el tiempo la tensión entre las capas aumentan y se acumula hasta que es liberada en un temblor estelar y aumenta (disminuye) la velocidad de rotación. Los autores predicen un temblor cada 100,000 o más años. Este estimado es para los cuatro púlsares de rayos X estudiados para el artículo. Esto significa que estos temblores que ocasionan los “glitches,” no son comunes y son difíciles de observar. La segunda manera en la que se pueden producir los “glitches” es debido al comportamiento de los neutrones en la estrella. A las altas densidades presentes en la estrella, los neutrones se encuentran en pares y forman un estado de la materia llamado Superfluido. El superfluido en el centro de la estrella y los iones en las partes exteriores reaccionan de manera diferente a los cambios en la velocidad de rotación debido al material atraído por la estrella compañera. Esto crea una diferencia en la velocidad de rotación en el superfluido y el exterior de la estrella. Cuando esta diferencia aumenta significativamente el superfluido intercambia momento angular con los iones ocasioando el “glitch” o aumento repentino en la velocidad de giro. Los autores calculan que los aumentos repentinos o “glitches” ocurren cada varias decenas de años. Esto seria más frecuente que los “glitches” ocasionados por temblores estelares. Los autores predicen que este repentino aumento es de varias horas y no toma solo segundos. También los autores afirman que los “anti-glitches” (cuando el púlsar drásticamente disminuye su velocidad de giro) serian posibles en estos pulsares de rayos X, pero la magnitud del cambio repentino en la velocidad seria menor por un factor de 10 a las de los “glitches.” La búsqueda para observar estos eventos llamados “glitches” sigue viva y es prometedora. Telescopios de rayos X a bordo de Fermi,  Swift, y Integral son algunos de los experimentos que nos permitirían observar estos eventos. También instrumentos futuros como LOFT nos permitirían seguir la búsqueda de este tipo de eventos.

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