• Título: Astromaterial Science and Nuclear Pasta
• Autores: M. E. Caplan, C. J. Horowitz
• Institución del primer autor: Indiana University, USA
• Estado: arXiv.org, acceso abierto
• Astrobite original: Nuclear Pasta in Neutron Stars por Lisa Drummond
  

Dentro de una estrella de neutrones

Las estrellas de neutrones son los objectos más densos del Universo. Naturalmente, la materia dentro de ellas es exótica y diferente a cualquier cosa en la tierra – ¡imagina aplastando la masa de nuestro Sol dentro de una estrella con solo 10 kilómetros! Como puedes adivinar de su nombre, las estrellas de neutrones están compuestas principalmente de neutrones, con una pequeña fracción de electrones y protones que también contribuyen a su masa. Se piensa que una estrella de neutrones es análoga a un núcleo atómico gigante, unido por fuerzas gravitacionales más que por la fuerza fuerte. Bajo la presión ejercida por la gravedad, la materia se comprime a la misma densidad que los núcleos de los átomos; las propiedades de la materia de alta densidad en la estrellas de neutrones se discute en este astrobites (en inglés sobre este tema).

Ahora vamos visualizando a través de la corteza de la estrella de neutrones. Figura 1 proporciona un esquema de las capas estratificadas que encontramos durante el descenso. En la corteza externa, los neutrones se combinan dentro de los núcleos los cuales forma una retícula solida. Descendiendo más profundo dentro de la corteza, los núcleos se vuelven cada vez más gigantes y más ricos en neutrones. Más allá de un cierto tamaño, los neutrones comienzan a desbordarse de los núcleos y se escurren, formando un océano de neutrones libres en la que la red de núcleos está sumergida. Esto significa nuestra transición hacia la corteza interna. Aquí, en la base de la corteza (o “manto”), descubrimos las intrincadas estructuras nucleares de las que se ocupa el artículo de hoy. Normalmente esperamos que los núcleos sean esféricos, pero aquí los núcleos se deforman y se funden, formando grupos de formas exóticas llamadas “pasta nuclear”. Más allá de este punto, entramos en el núcleo de la estrella donde encontramos materia nuclear uniforme: un superfluido de neutrones (una sustancia que fluye sin fricción) coexiste con un superconductor protónico (un material que conduce la electricidad sin resistencia).

Figure 1: (a) Estructura de una estrella de neutrones. Símbolos correspondientes para los núcleos N, n, p, e, μ, fluido de neutrones y protones y muones, respectivamente. (b) composición del interior de la corteza de una estrella de neutrones. Fuente: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Pasta nuclear

Bajo las condiciones extremas de alta densidad dentro de una estrella de neutrones, la competencia entre la atracción nuclear y la repulsión de Coulomb produce estructuras exóticas llamadas pasta nuclear. Ravenhall, Pethick y Wilson fueron los primeros en investigar estas configuraciones inusuales de materia nuclear. La pasta nuclear se caracteriza por patrones complejos no esféricos tales como tubos, láminas y burbujas; estas configuraciones minimizan su energía (ver Figura 2). El nombre “pasta nuclear” surgió debido a una semejanza con diferentes variedades de pasta – ¡como lasaña, gnocchi y espaguetis!

En la actualidad, nuestra comprensión de la pasta nuclear en las estrellas de neutrones se basa en gran medida en los cálculos teóricos. Sin embargo, existen algunas evidencias observacionales que apoyan la existencia de la pasta nuclear en la corteza. Por ejemplo, Pons, Vigano y Rea postulan que la fase de la pasta limita el período máximo de giro de las estrellas de neutrones rotando (pulsares).  Ellos sugieren que la ausencia de pulsos de rayos X aislados con periodos de giro mayores de 12 segundos pueden ser evidencia observacional de la pasta nuclear. La búsqueda de características observacionales de la capa de la pasta nuclear es un tema de investigación de gran interés.

Figura 2: Ejemplos de diferentes fases de la pasta nuclear. (Figura 3 del artículo original).

Resultados

En este artículo, los autores realizan simulaciones semi-clásicas de dinámica molecular de pastas nucleares. El enfoque semi-clásico se justifica porque los comportamientos relevantes implican grupos de miles de nucleones y estos grupos pesados ​​pueden tratarse clásicamente. Los efectos cuánticos presentes en escalas más pequeñas se ponen a mano a través de los parámetros en el modelo semi-clásico.

Los autores modelan la geometría y la topología de las estructuras complejas de la pasta representadas en la Figura 2 y extraen las propiedades útiles del material, tales como la conductividad térmica y eléctrica. Los autores discuten cómo la presencia de una capa de pasta en la base de la corteza de estrellas de neutrones podría influir en observaciones de fenómenos astrofísicos tales como neutrinos de supernovas, desintegración de campo magnético y enfriamiento de la corteza de estrellas de neutrones acretando.

Arriba discutimos el artículo escrito por Pons et al. en el que se espera que las fases de la pasta nuclear contengan impurezas. Las impurezas causan que el campo magnético de las estrellas de neutrones decaiga en un periodo de 0.1-1 Mega años, consistente con la población observada de pulsares de rayos X aislados que tienen períodos de rotación inferiores a 12 segundos. Simulaciones de dinámica molecular en el artículo de hoy aportan evidencia que sustenta lo supuesto por Pons de que la pasta tiene un parámetro de alta impureza. Por lo tanto, otra pieza del rompecabezas encaja y tenemos aún más razones para creer que la pasta nuclear existe dentro de las estrellas de neutrones.