Las estrellas de neutrones podrían capturar agujeros negros primordiales

Las estrellas de neutrones podrían capturar agujeros negros primordiales

La Vía Láctea tiene un problema porque falta un púlsar en su interior. Los astrónomos llevan años intentando explicar esto. Una de las ideas más interesantes proviene de un equipo de astrónomos europeos y analiza la materia oscura, las estrellas de neutrones y los agujeros negros primordiales (PBH).

El astrónomo Roberto Caiozzo de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste, Italia, dirigió un grupo que examinaba el problema del púlsar perdido. «No observamos ningún púlsar de ningún tipo en esta región interior (a excepción del magnetar PSR J1745-2900)», escribió en un correo electrónico. «Se pensaba que esto se debía a limitaciones técnicas, pero la observación del magnetar parece sugerir lo contrario». Este magnetar orbita Sagitario A*, el agujero negro en el corazón de la Vía Láctea.

Un mapa de rayos X del núcleo de la Vía Láctea que muestra la posición del magnetar recientemente descubierto que orbita el agujero negro supermasivo Sgr A*. Cortesía de Chandra y XMM-Newton.

El equipo examinó otras posibles razones por las que los púlsares no aparecen en el núcleo y observó de cerca la formación de matnetar, así como las interrupciones en las estrellas de neutrones. Una idea interesante que examinaron fue la canibalización de los agujeros negros primordiales por estrellas de neutrones. El equipo exploró el problema de los púlsares perdidos planteándose la siguiente pregunta: ¿Podría el canibalismo de las estrellas de neutrones y los agujeros negros primordiales explicar la ausencia de púlsares de milisegundos detectados en el corazón de la Vía Láctea? Echemos un vistazo a los principales actores de este misterio para comprender si esto podría suceder.

Estrellas de neutrones, púlsares y pequeños agujeros negros, Dios mío

La teoría sugiere que los agujeros negros primordiales se crearon en los primeros segundos después del Big Bang. “No conocemos la existencia de los PBH”, subraya Caiozzo, “pero parecen explicar ciertos fenómenos astrofísicos importantes”. Destacó la idea de que los agujeros negros supermasivos parecían existir en una etapa muy temprana del Universo y sugirió que podrían haber sido las semillas de estos monstruos. Si existen PHB, el próximo Telescopio Romano Nancy Grace podría ayudar a encontrarlos. Los astrónomos predicen que podrían existir en una variedad de masas, desde la masa de un alfiler hasta aproximadamente 100.000 veces la del Sol. Podría haber un rango intermedio en el medio, los llamados PBH de “masa de asteroide”. Los astrónomos los sugieren como candidatos para la materia oscura.

Los agujeros negros primordiales, si existen, podrían haberse formado por el colapso de regiones demasiado densas en el comienzo mismo del universo.  Crédito M. Kawasaki, TT Yanagida.
Los agujeros negros primordiales, si existen, podrían haberse formado por el colapso de regiones demasiado densas en el comienzo mismo del universo. Crédito M. Kawasaki, TT Yanagida.

La materia oscura constituye aproximadamente el 27% del Universo, pero más allá de sugerir que el PBH podría ser parte del contenido de la materia oscura, los astrónomos aún no saben exactamente qué es. Parece haber una gran cantidad de ellos en el corazón de nuestra galaxia. Sin embargo, no ha sido observado directamente, por lo que se infiere su presencia. ¿Está relacionado con estos PBH de gama media? Nadie sabe.

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El tercer actor en este misterio de los púlsares desaparecidos son las estrellas de neutrones. Son enormes bolas de neutrones temblorosas que quedan tras la muerte de una estrella supergigante de entre 10 y 25 masas solares. Las estrellas de neutrones comienzan muy calientes (del orden de diez millones de K) y se enfrían con el tiempo. Empiezan a girar muy rápidamente y generan campos magnéticos. Algunos emiten haces de radiación (normalmente radiofrecuencias) y, a medida que giran, estos haces aparecen como «pulsos» de emisión. Esto les valió el sobrenombre de “púlsar”. Las estrellas de neutrones con campos magnéticos extremadamente fuertes se llaman «magnetares».

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Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten haces de ondas de radio estrechos y rápidos.  Un nuevo estudio identifica el origen de estas ondas de radio.  Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten haces de ondas de radio estrechos y rápidos. Un nuevo estudio identifica el origen de estas ondas de radio. Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

El problema del púlsar perdido

Los astrónomos han buscado púlsares en el corazón de la Vía Láctea sin mucho éxito. Estudio tras estudio, no se han detectado radiopúlsares dentro de los 25 parsecs internos del núcleo de la galaxia. ¿Por qué entonces? Caizzo y sus coautores sugieren en su artículo que la formación de magnetares y otras perturbaciones en las estrellas de neutrones que afectan la formación de púlsares no explican exactamente la ausencia de estos objetos en el núcleo galáctico. «La formación eficiente de magnetares podría explicar esto (debido a sus vidas más cortas)», dijo. «Pero no hay ninguna razón teórica para esperar esto. Otra posibilidad es que los púlsares estén alterados de alguna manera.

Normalmente se produce una perturbación en los sistemas estelares binarios, donde una estrella es más masiva que la otra y explota como una supernova. La otra estrella puede explotar o no. Algo podría excluirlo completamente del sistema. La estrella de neutrones superviviente se convierte en un púlsar «perturbado». No son tan fáciles de observar, lo que podría explicar la falta de detecciones de radio.

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Si la compañera no es expulsada y luego se expande, su material es absorbido por la estrella de neutrones. Esto hace que la estrella de neutrones gire y afecte al campo magnético. Si la segunda estrella permanece en el sistema, luego explota y se convierte en una estrella de neutrones. El resultado es una estrella de neutrones binaria. Esta perturbación podría ayudar a explicar por qué el núcleo galáctico parece desprovisto de púlsares.

Utilizando la captura de agujeros negros primordiales para explicar los púlsares desaparecidos

El equipo de Caizzo decidió utilizar modelos bidimensionales de púlsares de milisegundos, es decir, púlsares que giran extremadamente rápido, para estudiar la posibilidad de capturar un agujero negro primordial en el núcleo galáctico. El proceso funciona así: un púlsar de milisegundos interactúa de alguna manera con un agujero negro primordial que tiene menos de una masa estelar. Finalmente, la estrella de neutrones (que tiene una atracción gravitacional lo suficientemente fuerte como para atraer al PBH) captura el agujero negro. Una vez que esto sucede, el PBH se hunde en el núcleo de la estrella de neutrones. Dentro del núcleo, el agujero negro comienza a acumular material procedente de la estrella de neutrones. Al final, lo único que queda es un agujero negro con aproximadamente la misma masa que la estrella de neutrones original. Si esto sucede, podría ayudar a explicar la falta de púlsares en los pársecs internos de la Vía Láctea.

¿Podría pasar esto? El equipo estudió las posibles tasas de captura de PBH por parte de estrellas de neutrones. También calcularon la probabilidad de que una determinada estrella de neutrones colapsara y evaluaron la tasa de perturbación de los púlsares en el núcleo galáctico. Si no todos los púlsares perturbados son o fueron parte de sistemas binarios, eso deja la captura de estrellas de neutrones a partir de PBH como otra forma de explicar la falta de púlsares en el núcleo. ¿Pero esto sucede en realidad?

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La tensión del púlsar perdida continúa

Resulta que tal canibalismo no puede explicar el problema del púlsar desaparecido, según Caizzo. «Descubrimos que en nuestro modelo actual, los PBH no son capaces de alterar estos objetos, pero esto sólo tiene en cuenta nuestro modelo simplificado de interacciones de dos cuerpos», dijo. Lo anterior no excluye la existencia de PHB, sólo que en casos puntuales dicha captura no se produce.

Entonces, ¿qué queda por examinar? Si hay PHB en los corazones y se fusionan, nadie los ha visto todavía. Pero el centro de la Galaxia es un lugar muy concurrido. Muchos cuerpos invaden los pársecs centrales. Hay que calcular los efectos de todos estos objetos interactuando en un espacio tan pequeño. Este problema de “dinámica de N cuerpos” debe tener en cuenta otras interacciones, así como la dinámica y captura de PBH.

Los astrónomos que quieran utilizar las fusiones de estrellas de neutrones PBH para explicar la falta de observaciones de púlsares en el corazón de la galaxia necesitarán comprender mejor tanto las observaciones propuestas como las poblaciones de púlsares más grandes. El equipo sugiere que futuras observaciones de antiguas estrellas de neutrones cerca de Sgr A* podrían resultar muy útiles. Ayudarían a establecer límites más estrictos al número de PBH en el núcleo. Además, sería útil tener una idea de las masas de estos PBH, ya que aquellos en el extremo inferior (tipos de masa de asteroides) podrían interactuar de manera muy diferente.

Para más información

Revisando la captura de agujeros negros primordiales por estrellas de neutrones
Búsqueda de púlsares en el centro galáctico a 3 y 2 mm

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