SUPERFLUIDEZ y SUPERCONDUCTIVIDAD
Se considera que el líquido de neutrones presente en la corteza
interior es un superfluido, tal y como la mezcla de neutrones
y protones en el núcleo exterior de la estrella forma un superfluido
(de neutrones) y un superconductor (de protones). En el laboratorio,
la superfluidez se observa en el helio líquido y la superconductividad
se observa en numerosos metales, ambos fenómenos ocurren a temperaturas
cercanas al cero absoluto (es decir - 273 grados centígrados). Se
sabe también, desde finales de los años cincuenta, que los
neutrones en núcleos atómicos forman un superfluido y los
protones un superconductor. La presencia de estos dos fenómenos
en estrellas de neutrones es pues, una extrapolación directa de
lo que se observa en el laboratorio desde hace muchos años; las
propiedades extrañas de los superfluidos y los superconductores
introducen todavía más complejidad en la estructura de las
estrellas de neutrones.
El mecanismo que induce la superfluidez y la superconductividad es la
formación de pares de Cooper, según propuesto
por Leon Cooper, en el cual dos neutrones ó dos protones se aparean.
Parece similar a la formación de moleculas en la cual dos (ó
más) átomos se unen para formar un compuesto que tiene nuevas
propiedades totalmente distintas a las de los átomos que la forman,
pero en realidad es totalmente distinto: las moleculas se van formando
una por una mientras que en el mecanismo de aparemiento de Cooper los pares
se forman todos simultaneamente. Este apareamiento es pués un fenómeno
colectivo
y corresponde a una transición de fase en la cual el material
cambia abruptamente sus propiedades cuando ocurre. Como todas las transiciones
de fase, la de apareamiento tiene una temperatura critica,
notada como Tc: si la temperatura del material T es superior
a Tc no hay pares y cuando T alcanza Tc los pares
se forman rápidamente.
El valor de Tc depende de la fuerza que produce el apareamiento:
para los materiales terrestre Tc es del orden de unos grados
Kelvin, ó hasta miligrados para el Helio 3, mientras para el apareamiento
de neutrones ó protones es del ordén de 109 K
debido a la enorme fuerza nuclear que produce el apareamiento. La idea
original de L. Cooper, se extendio en una teoría completa considerada
como uno de los mayores logros de la física del siglo XX. Sus autores,
J. Bardeen, L. N. Cooper y J. R. Schrieffer recibieron el Premio
Nobel de Física en 1972, y la teoría se conoce como teoría
BCS. La teoría fue desarrollada para describir la superconductividad
en metales pero se extiende naturalmente para cualquier tipo de material
en el cual el fenómeno de apareamiento ocurre.
Superfluidez y rotación
Una
de las extravagancias de los superfluidos es su comportamiento cuando se
les fuerza a rotar. Como los pulsares son estrellas de neutrones en rotación
este comportamiento extraño tiene consecuencias enormes. Un superfluido
en rotación forma espontaneamente vórtices
que consisten de un corazón de materia no superfluida rodeado por
materia superfluida en rotación alrededor de dicho corazón.
Tenemos entonces, que en el superfluido neutrónico de un pulsar
en rotación se forman vórtices como se representan la figura:
en A para el superfluido en la corteza interior (con núcleos atómicos
formados en una red cristalina) y en B para el superfluido en el núcleo
estelar.
Todos estos vórtices son paralelos al eje de rotación
del pulsar y además en cada parte de la estrella el número
de vórtices es proporcional a la velocidad de rotación de
esta región. Debido al frenado en la rotación del pulsar,
los vórtices migran paulatinamente, alejándose del eje de
rotación hasta llegar a la parte superior de la corteza donde no
hay superfluido y desapareciendo entonces (note que solamente la estructura
del vórtice se está moviendo, esto no necesariamente implica
un movimiento real de los neutrones). Sin embargo, los vórtices
del superfluido de neutrones en la corteza interior (A) tienen un compartamiento
muy peculiar: se atoran sobre los nucleos atómicos ahí presentes
(esto soló ocurre en la corteza interior pero no en el núcleo
ya que no hay núcleos atómico en ello). Por lo tanto no pueden
migrar y la velocidad de rotación del superfluido cortical es constante:
este superfluido siempre rota más rápido que el resto de
la estrella. En eventos catastróficos, parte de los vórtices
en la corteza se sueltan de los núcleos que los amarran y se alejan
bruscamente del eje de rotación para ajustar su velocidad con la
del resto de la estrella: el resultado es una súbita reducción
de la velocidad de rotación de esta parte del superfluido y como
reacción, una aceleración del resto de la estrella. Estos
eventos catastróficos se han observado en cerca de veinte pulsares,
manifestándose como una súbita disminución del periodo
de rotación: son los famosos `glitches' ó sideramotos
(es decir `terremotos' sidelares !).
Superconductividad y campo magnético
En el núcleo de la estrella, aparte de los vórtices producidos
por el superfluido de neutrones, aparecen tubos de flujo magnético
creados por el superconductor de protones (véase la inserción
B de la figura). La cause de estos tubos de flujo es la siguiente. Un superconductor
no tolera la presencia de un campo magnético y trata de expulsarlo
ó por lo menos de confinarlo dentro de estos tubos de flujo magnético,
un fenómeno conocido como `efecto Meissner'. En el núcleo
superconductor de una estrella de neutrones, estos tubos, a diferencia
de los vórtices del superfluido neutrónico, no tienen que
ser parálelos al eje de rotación y al contrario tienen una
geometría muy compleja, determinada por la configuración
del campo magnético al momento que aparece la superconductividad
(es decir cuando la temperatura de la estrella cayo por debajo de la temperatura
crítica Tc del superconductor protónico). Estos
tubos se `enredan' con los vórtices, y posiblemente cuando estos
últimos migran paulatinamente por el frenado del pulsar van jalando
los tubos magnéticos con ellos. Los tubos magnéticos no penetran
en la corteza, ya que no hay un fluido de protones superconductores en
ella, pero el campo magnético sí: al llegar a la frontera
núcleo-corteza el tubo desaparece y el campo magnético, saliendo
de él, se expande y atraviesa la corteza para llegar hasta la superficie.
Debido a esto, el movimiento de los tubos de flujo magnético del
núcleo induce enormes tensiones sobre la corteza rígida del
pulsar que debería constantemente ajustarse al cambio del campo
magnético. Una posible consecuencia de esta tensión es que
la corteza se fracture, formándose placas tectónicas
que migran hacía el ecuador de la estrella. Esta teoría ha
sido denominada por su autor, el Pr. M. Ruderman, como `Astrología'
en analogía con la Geología y su teoría tectónica
de placas.
Será cierto todo esto ?
Las teorías presentadas aquí y en la sección anterior
involucran multiples ramas de la física y numerosas extrapolaciones.
Como en cualquier area de la Ciencia, estos modelos necesitan compararse
con datos experimentales ó observacionales. Esto es el próposito
de la siguiente sección. Desgraciadamente, por el momento no tenemos
muchas restricciones serias pero el futuro parece bastante prometedor.
Sección anterior: Estructura
de las Estrellas de Neutrones.
Sección siguiente: Teoría
versus observaciones.
Dany P. Page
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