Esta figura (aquí
está en grande) presenta la estructura interna de una estrella
de neutrones tal como nos la imaginamos. Las dos partes más importantes
que deben distinguirse son el núcleo y la corteza.
La distinción fundamental entre estas dos regiones es que la corteza
contiene núcleos atómicos mientras en el núcleo de
la estrella la densidad es tan alta que los núcleos atómicos
fusionaron y tenemos pués un material homogéneo, parecido
a un líquido y llamado líquido cuántico. La
corteza es sólida, al igual que la corteza de la Tierra, pero su
espesor es de unos cientos de metros y se encuentra flotando sobre el líquido
nuclear. Más del 98% de la masa de la estrella está en su
núcleo.
La Materia Densa
Toda la materia que nos rodea en la Tierra está formada, en sus constituentes básicos, por átomos. Los átomos contienen un núcleo, compuesto de neutrones y protones, el cual está rodeado por una `nube' de electrones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva y los electrones una carga negativa mientras los neutrones no tienen carga eléctrica. Cuando el átomo es neutro tenemos tantos electrones en la `nube' como protones en núcleo. Si falta un electron se dice que el átomo está ionizado y tiene entonces una carga eléctrica neta.A la fecha todavía no se ha podido determinar el tamaño del electrón: en todos los experimentos estos aparecen como si fueran un punto, en el sentido matemático de la palabra. A lo contrario, los neutrones y protones no son puntos, pero más bien `pelotitas' con un radio del ordén de 1 fm (= fermi = 10-15 metro). El núcleo tiene pues un radio de unos pocos fm mientras el átomo mide varios cientos de miles de fm de diámetro: en otras palabras el átomo está lleno de vacio !
La masa del neutrón y del protón es también unas dos mil veces superior a la del electrón, lo que implica que casi toda la masa de un átomo viene de su núcleo. Siendo el núcleo tan pequeño y con tanta masa su densidad es enorme. Resulta que los núcleos tienen practicamente todos la misma densidad, la cual se ha llamado densidad nuclear y es del orden de 2.8x1014 gm/cm3, es decir 280 millones de toneladas por centímetro cúbico !
Estamos pués constituidos de materia cuya densidad real es la densidad nuclear pero esta materia viene en `paquetitos', los núcleos, separados por vacios enormes: es solamente en promedio que nuestra densidad, y la densidad de la materia que nos rodea en la Tierra, es solamente del orden de unos gramos por centímetro cúbico. Vista de esta manera, una estrella de neutrones está formada por materia en la cual el vacío entre los núcleos ha sido eliminado. Debido a su masa total, la fuerza de la gravedad compactifica todavía más la materia y en el centro de la estrella la densidad alcanza varias veces la densidad nuclear.
No toda la estrella tiene tal densidad: las capas superiores cerca de la superficie tienen densidades más bajas. Si la estrella tiene una atmosfera, su densidad es de unos miligramos por centímetro cúbico pero al hundirnos en la estrella veríamos la densidad crecer muy rapidamente. En la superficie podríamos ver átomos parecidos a los que vemos en la Tierra, pero con el aumento de la densidad los electrones no pueden quedarse pegados al núcleo como una nube: se liberan de la atracción eléctrica del núcleo y la materia está totalmente ionizada. Esta materia densa está así compuesta por dos componentes: los núcleos átomicos y los electrones. Los electrones se comportan como un gas, muy denso. Los núcleos se comportan como un gas a baja densidad y cuando la densidad crece forman un líquido y finalmente un sólido (un cristal). Finalmente, a las más altas densidades los núcleos se tocan y el espacio entre ello se reduce a cero: llegamos al núcleo de la estrella formado de una `sopa' de neutrones, protones y electrones.
Las siguientes secciones describen esta materia con más detalle.
Superficie, envolvente y corteza exterior
Paradójicamente, no se sabe con certeza cual es la estructura de la superficie de una estrella de neutrones y se entienden mucho mejor las capas más profundas (envolvente y corteza). No cabe duda de que la parte superior de la corteza (a densidades del ordén de 106 gm/cm3) está formada de hierro, pero a densidades más bajas puede ser que haya elementos ligeros (Hidrógeno, Helio, Carbón u Oxígeno) ó que el hierro este presente hasta la mera superficie. Esta capa superior, la envolvente, mide solamente unas cuantas decenas de metros de espezor pero es de suma importancia observacional. La superficie puede ser sólida, como el resto de corteza [Vea superficie sólida]. Otra posibilidad es que la superficie sea gaseosa, es decir que tendríamos una atmósfera, con un espezor de unos cuantos centímetros, debajo de la cual tendríamos una capa líquida, como un oceano de unos metros de profundidad y luego vendría la capa sólida [Vea atmósfera].Estas regiones están formadas de materia como la que conocemos en al Tierra, pero al entrar más profundamente en la corteza, es decir al aumentar la densidad, aparecen núcleos atómicos cada vez más exóticos que contienen cada vez más neutrones [Vea composición química de la corteza exterior]. En la Tierra estos núcleos exóticos solamente se pueden producir en el laboratorio, en cantidades infinitesimales y se desintegran casi instantáneamente; en la corteza de las estrellas de neutrones existen y son estables, gracias a la presencia de una presión y una densidad muy altas.
Corteza interior
Al continuar nuestra exploración hacia el centro de la estrella y llegar a la densidad de 4.3 x 1011 gm/cm3, entramos a la corteza interior dónde tenemos un material que es totalmente imposible producir en el laboratorio: aparece, además de los núcleos y electrones, un líquido superfluido de neutrones llenando el espacio entre los núcleos. Tenemos así un material muy extraño compuesto por un cristal inmerso en un líquido (superfluido). [Vea composición química de la corteza interior].Transición corteza-núcleo
La transición de la corteza al núcleo de la estrella ocurre a densidades entre 1x1014 gm/cm3 y 1.3x1014 gm/cm3 y se muestra de manera esquemática en la figura.
Al acercarse a esta transición, los `núcleos' se desforman
ocupando cada vez más espacio y dejando al líquido de neutrones
un volumen cada vez más reducido. Con el cambio en su forma, los
`núcleos' se vuelven más bien aglomerados nucleares, ya que
de tener una forma esférica, primero se van alargando (`espaguetis'),
luego toman forma de capas nucleares (`lasañas') y finalmente ocupan
casi todo el volumen y empujan al líquido de neutrones a reducirse
en meras burbujas (`queso suizo'). A baja densidad los núcleos de
hierro están constituídos por neutrones en un 55% y por protones
en un 45%; los aglomerados nucleares mientras tanto, están constituídos
por un 96% de neutrones y un 4% de protones. El líquido de neutrones
está, por supuesto, constituído únicamente de neutrones
pero con una densidad ligeramente inferior a la de los aglomerados nucleares.
Al aumentar la densidad, la densidad del líquido de neutrones `libres'
alcanza la densidad de la materia en los aglomerados y las burbujas de
neutrones desaparecen: entramos al núcleo de la estrella.
Vea también una comparación de la corteza exterior, interior y el núcleo estelar.
Terminología: aquí engo un problema de traducción de la terminología científica, que es en inglés por supuesto. En la corteza de la estrella tenemos núcleos atómicos pero en el núcleo de la estrella ya no tenemos núcleos atómicos ! En inglés el núcleo atómico se dice nucleus y para el núcleo de la estrella de usa la palabra core: se debería traducir core como `carozo' que suena bárbaro ó como `corazón', pero decidí quedarme con `núcleo' que es la palabra que se usa en astrofísica estelar.
El núcleo de la estrella de neutrones
Su composición, cerca de la zona de transición a la corteza, es parecida a la de los aglomerados nucleares: un 95% de neutrones y un 5% de protones, ello puede justificar el nombre de estrella de neutrones. Note que es soló en los años 30 cuando se introdujo el concepto de estrella de neutrones que se pensaba que podrían estar compuestas en un 100% de neutrones: sabemos ahora que la corteza definitivamente no está formada exclusivamente de neutrones y, como se describe más abajo, el núcleo tampoco ! Además de los nucleones, es decir neutrones y protones, coexisten electrones en toda la estrella, si no estuviesen presentes, la estrella tendría una carga eléctrica positiva enorme y explotaría por la fuerza de eléctrica repulsiva entre los protones.El núcleo de la estrella es un fluido y se acostumbra distinguir en él dos partes: un núcleo exterior constituído solamente de neutrones y protones (más los electrones necesarios para mantener la carga eléctrica nula) y un núcleo interior. El núcleo exterior se puede estudiar teóricamente con una confianza razonable ya que su densidad es cercana a la de los núcleos atómicos que conocemos bastante bien.
Sin embargo, si penetramos más hacía el centro de la estrella, en el núcleo interior, la situación cambia dramáticamente, nos encontramos en el reino de lo desconocido y de las especulaciones teóricas. Con el aumento en la densidad, los neutrones y protones adquieren cada ves más energía y algunos de ellos pueden transformarse en otras partículas llamadas hiperones, partículas que son parecidas a los nucleones pero más masivas. Los electrones también pueden transformarse en otras partículas como el muon, el pion, ó el kaon. Cuales de estas partículas realmente están presentes en el nícleo interior es todavía una cuestión de debate: las propiedades tanto de la materia nuclear (neutrones + protones), como de los hiperones, no se conocen con suficiente detalle como para calcular de manera confiable la estructura de la materia tan densa que se encuentra en este núcleo interior.
Las cosas pueden ser todavía mucho más complicadas. Las partículas mencionadas en el párrafo anterior no son las más fundamentales sino que están a su vez constituídas de otras llamadas quarks. Es muy posible que estos quarks, que normalmente quedan confinados dentro de las partículas, puedan liberarse a muy alta densidad y de esto resultaría que la materia muy densa esté más bien materia de quarks. La hipótesis más radical sobre la naturaleza de las estrellas de neutrones es la de estrellas extrañas según la cual, éstas estarían compuestas totalmente por quarks y posiblemente ni siquiera tendrían una corteza.
Sección anterior: Introducción.
Sección siguiente: Superfluidez y Superconductividad.
Dany P. Page / page@astroscu.unam.mx / (Creado 24-VII-1996 / Ultima revisión: 20-II-1998)