Una estrella muerta parece tener superficie sólida

Una firma en la luz de rayos X emitida por una estrella muerta altamente magnetizada conocida como magnetar sugiere que la estrella tiene una superficie sólida sin atmósfera.

Un estudio de una colaboración internacional publicado en la revista Science utilizó datos de un satélite de la NASA, el Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), que se lanzó en diciembre pasado. El satélite, una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana, ofrece una nueva forma de observar la luz de rayos X en el espacio al medir su polarización, la dirección del movimiento de las ondas de luz.

El equipo analizó la observación de IXPE de la magnetar 4U 0142+61, ubicada en la constelación de Casiopea, a unos 13.000 años luz de la Tierra. Esta fue la primera vez que se observó la luz polarizada de rayos X de un magnetar.

Los magnetares son estrellas de neutrones: núcleos remanentes muy densos de estrellas masivas que han explotado como supernovas al final de sus vidas. A diferencia de otras estrellas de neutrones, tienen un inmenso campo magnético, el más poderoso del universo.

Emiten rayos X brillantes y muestran periodos de actividad erráticos, con la emisión de ráfagas y llamaradas que pueden liberar en tan solo un segundo una cantidad de energía millones de veces mayor que la que emite nuestro Sol en un año. Se cree que están alimentadas por sus campos magnéticos ultrapotentes, de 100 a 1000 veces más fuertes que las estrellas de neutrones estándar.

El equipo de investigación encontró una proporción mucho menor de luz polarizada de lo que se esperaría si los rayos X atravesaran una atmósfera. La luz polarizada es luz en la que todo el movimiento se mueve en la misma dirección; es decir, los campos eléctricos vibran solo de una manera. Una atmósfera actúa como un filtro, seleccionando solo un estado de polarización de la luz.

El equipo también descubrió que, para las partículas de luz a energías más altas, el ángulo de polarización se invirtió exactamente 90 grados en comparación con la luz a energías más bajas, siguiendo lo que los modelos teóricos predecirían si la estrella tuviera una corteza sólida rodeada por un magnetosfera externa llena de corrientes eléctricas.

La coautora principal, la profesora del Laboratorio de Ciencia Espacial Mullard en el UCL (University College London), miembro del equipo científico de IXPE, dijo en un comunicado: "Esto fue completamente inesperado. Estaba convencido de que habría una atmósfera. El gas de la estrella ha alcanzado un punto de inflexión y se ha vuelto sólido de una manera similar a como el agua podría convertirse en hielo. Este es el resultado del campo magnético increíblemente fuerte de la estrella.

"Pero, al igual que con el agua, la temperatura también es un factor: un gas más caliente requerirá un campo magnético más fuerte para volverse sólido. El próximo paso es observar estrellas de neutrones más calientes con un campo magnético similar, para investigar cómo la interacción entre la temperatura y el campo magnético afecta las propiedades de la superficie de la estrella".

El autor principal, el doctor Roberto Taverna, de la Universidad de Padua, dijo: "La característica más emocionante que pudimos observar es el cambio en la dirección de polarización con la energía, con el ángulo de polarización oscilando exactamente 90 grados.

"Esto está de acuerdo con lo que predicen los modelos teóricos y confirma que los magnetares están dotados de campos magnéticos ultra fuertes".

La teoría cuántica predice que la luz que se propaga en un entorno fuertemente magnetizado está polarizada en dos direcciones, paralela y perpendicular al campo magnético. La cantidad y la dirección de la polarización observada llevan la impronta de la estructura del campo magnético y del estado físico de la materia en la vecindad de la estrella de neutrones, proporcionando información inaccesible de otro modo.

A altas energías, se espera que dominen los fotones (partículas de luz) polarizados perpendicularmente al campo magnético, lo que resulta en la oscilación de polarización de 90 grados observada.

El profesor Roberto Turolla, de la Universidad de Padua, quien también es profesor honorario en el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard del UCL, dijo: "La polarización a bajas energías nos dice que el campo magnético es probablemente tan fuerte que gira la atmósfera alrededor de la estrella en un sólido o un líquido, un fenómeno conocido como condensación magnética."

Se cree que la corteza sólida de la estrella está compuesta por una red de iones, unidos por el campo magnético. Los átomos no serían esféricos, sino alargados en la dirección del campo magnético.

Todavía es un tema de debate si los magnetares y otras estrellas de neutrones tienen atmósferas o no. Sin embargo, el nuevo artículo es la primera observación de una estrella de neutrones donde una corteza sólida es una explicación confiable.

El profesor Jeremy Heyl de la Universidad de Columbia Británica (UBC) agregó: "También vale la pena señalar que incluir los efectos de la electrodinámica cuántica, como hicimos en nuestro modelo teórico, brinda resultados compatibles con la observación IXPE. Sin embargo, también estamos investigando modelos alternativos para explicar los datos del IXPE, para los cuales aún faltan simulaciones numéricas adecuadas".