Año 23 Número 88 – Marzo 2025
Por Ezequiel Zubieta
Púlsares: los faros del Universo
Los púlsares fueron descubiertos en 1967 por Jocelyn Bell[5]. Jocelyn se encontraba haciendo observaciones para su doctorado, cuando registró accidentalmente destellos periódicos que inicialmente la desconcertaron. Luego de un minucioso estudio logró corroborar que no se trataba de ningún error, sino de una señal real. Otros astrónomos hicieron eco del descubrimiento y especularon que podrían ser señales de civilizaciones extraterrestres, a las que llamaron «Little Green Men», debido a que la señal era extremadamente regular. Sin embargo, pronto se dieron cuenta de que estas señales encajaban perfectamente con la teoría de Fritz Zwicky, quien, junto con Walter Baade, predijo en 1934 que el colapso de una estrella en forma de supernova podría dar lugar a un objeto ultradenso compuesto principalmente de neutrones [1]. De esta forma, se comprobó la existencia de las estrellas de neutrones, validando una de las predicciones más importantes sobre la evolución estelar. Luego, los púlsares son las estrellas de neutrones que tienen un campo magnético lo suficientemente alto como para emitir radiación que detectamos de manera periódica, al igual que lo hizo Jocelyn Bell.
Los púlsares nacen en las etapas finales de la vida de una estrella masiva. Cuando una de estas estrellas muere, su núcleo colapsa bajo su propia gravedad, comprimiéndose hasta formar un objeto increíblemente denso, que conocemos como estrella de neutrones. Al mismo tiempo, la capa externa de la estrella es expulsada violentamente en una explosión de supernova. Esta explosión ocurre en parte porque el colapso del núcleo genera una onda de choque y una enorme cantidad de energía que impulsa el material hacia el espacio.
Durante esta compactación, los protones y electrones del núcleo de la estrella se combinan para generar neutrones. Además, al hacerse cada vez más pequeño el núcleo, comienza a girar cada vez más rápido, al igual que un patinador gira más velozmente al cerrar sus brazos. Este es el proceso por el cual nacen las estrellas de neutrones.
Figura 1: Tamaño de una estrella de neutrones comparada con las ciudades de La Plata y Buenos Aires. Créditos: Mauro Mariani.
La densidad de estos objetos es extremadamente alta. Esto se debe a que tienen masas superiores a la masa del Sol, pero esta masa se encuentra compactada en una esfera de aproximadamente 10 km de radio (ver Figura 1). Por lo tanto, una cucharadita de material de los púlsares pesa tanto como una montaña.
Figura 2: esquema de rotación de un púlsar
Estos objetos, además, tienen velocidades de rotación impresionantes. Algunos de ellos llegan a rotar cerca de 1000 veces por segundo. Para ponerlo en perspectiva, una batidora común en tu cocina puede girar hasta cerca de 150 veces por segundo, así que a 1000 rotaciones por segundo sería como si tu batidora estuviera girando unas 6 veces más rápido de lo normal, ¡un ritmo impactante para un objeto súper denso de 10km de radio!. Esta rápida rotación, combinada con sus intensos campos magnéticos, provoca la emisión de radiación electromagnética (que se puede pensar como luz detectable con antenas) por los polos magnéticos.
Como muestra la Figura 2, el eje del campo magnético está desalineado con respecto al eje de rotación. Por lo tanto, solo podemos observar esta radiación cuando el campo magnético apunta hacia nosotros, lo cual ocurre una vez por cada giro del púlsar. Entonces, al observar un púlsar se produce un efecto de faro, en el cual observamos un destello por cada rotación del púlsar. Debido a su alta estabilidad rotacional, los púlsares han sido calificados como uno de los relojes más precisos del Universo[4].
¿Cómo observamos a los púlsares?
Los púlsares emiten radiación en longitudes de onda de radio, lo que significa que su observación requiere el uso de radiotelescopios, en lugar de utilizar los convencionales telescopios ópticos. Los radiotelescopios están diseñados para captar y amplificar señales débiles provenientes del espacio, permitiendo a los astrónomos detectar los pulsos regulares emitidos por los púlsares.
En Argentina, el Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR) jugó un papel clave en el desarrollo de la radioastronomía en la región. Fue el primer radioobservatorio de estas características en el país, inaugurado en la década de 1960. El IAR se encuentra ubicado próximo a la Reserva Ecológica del parque Pereyra Iraola, en la localidad de Berazategui. Se ubica en una zona de baja densidad poblacional para evitar las interferencias con las ondas de radio provenientes de las ciudades.
El IAR está equipado con dos radiotelescopios de 30 metros de diámetro (Figura 3). Desde el año 2018, los radiotelescopios llevan adelante una campaña de monitoreo constante de pulsares.[2]. En esta campaña, se cronometran diariamente los pulsos emitidos por 10 púlsares distintos.
En particular, los púlsares elegidos para monitorear desde el IAR no son cualquier tipo de púlsares, sino que son púlsares que presentan un fenómeno particular, conocido como glitches.
Figura 3: foto del Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR). Créditos: Gerardo Gonzalez
Glitches: tropiezos del Universo
La emisión de radiación electromagnética provoca que el púlsar se esté frenando constantemente, por lo cual su frecuencia de rotación disminuye a medida que pasa el tiempo. Como describimos anteriormente, este frenado ocurre de manera muy estable, al punto de ser considerados como los relojes más precisos del Universo. Sin embargo, algunos púlsares presentan anomalías en su rotación, que denominamos glitches.
Un glitch[8] es un aumento repentino en la frecuencia de rotación del púlsar, seguido, a veces, por un período de relajación en el que la estrella de neutrones vuelve gradualmente a su ritmo normal, como se observa en la Figura 4. Un glitch se detecta en las observaciones cuando, al observar un púlsar, los pulsos llegan a los radiotelescopios antes del tiempo esperado, dado que el púlsar aumenta repentinamente su velocidad de rotación.
Figura 4: Comportamiento de la frecuencia de rotación de un púlsar durante un glitch. La línea roja muestra como la frecuencia disminuye a lo largo del tiempo. En el instante t, se produce el glitch por lo cual la frecuencia aumenta abruptamente. Este salto en frecuencia se relaja lentamente para volver a su rotación normal luego del tiempo de recuperación
Debido a la alta densidad del material del que están compuestos los púlsares, resulta muy difícil comprender cómo se comporta la materia en su interior. De hecho, se piensa que la materia en el núcleo de los púlsares, no se encuentra en estado sólido, líquido ni gaseoso, sino que se encuentra en un estado diferente que llamamos superfluido. Los glitches son una herramienta fundamental en el camino hacia la comprensión del comportamiento de la materia dentro de los púlsares, debido a que se cree que son provocados por la interacción entre el núcleo superfluido de los púlsares y su corteza rígida[3].
Sin embargo, los glitches son aún muy poco comprendidos por la comunidad científica, ya que no siguen ningún patrón predecible. Algunos púlsares experimentan glitches cada uno o dos años (como es el caso del púlsar de Vela), mientras que otros pueden pasar décadas sin mostrar señales de este fenómeno. Además, la magnitud de los glitches también es variable, variando desde pequeños ajustes en la rotación (saltos en frecuencia del orden de una mil-millonésima parte de la frecuencia) hasta cambios muy significativos (del orden de una millonésima parte de la frecuencia).
Esta impredecibilidad hace que el estudio de los glitches sea un desafío fascinante. La falta de un patrón claro en la frecuencia y magnitud de estos eventos sugiere que los procesos físicos que los originan aún no están completamente entendidos. La interacción entre el núcleo superfluido y la corteza del púlsar es una explicación plausible, pero aún quedan muchas preguntas abiertas sobre los mecanismos exactos involucrados y cómo estos procesos varían entre diferentes púlsares.
Comprender los glitches no solo nos ayuda a explorar el comportamiento de la materia en condiciones extremas y el estado de la materia que conocemos como superfluido, sino que también tiene implicaciones en nuestra comprensión de la física de las estrellas de neutrones y la evolución de estos objetos. El monitoreo continuo de púlsares con glitches, como el que se realiza en el IAR y otros observatorios alrededor del mundo, es clave para resolver estos enigmas y desentrañar uno de los fenómenos más intrigantes del Universo.
El origen de los glitches
Existen varias teorías que intentan explicar el origen de los glitches. Una de ellas sugiere que los glitches pueden deberse a impactos de asteroides u otros cuerpos celestes sobre la superficie del púlsar, causando una redistribución momentánea de su masa y un aumento o disminución en su velocidad de rotación[6]. Otra teoría plantea que los glitches son el resultado de estremotos o terremotos estelares, es decir, fracturas en la corteza del púlsar causadas por tensiones internas acumuladas debido a la intensa gravedad y la rotación rápida, lo cual sería el análogo a los terremotos existentes en la Tierra.
Sin embargo, la teoría más aceptada actualmente es el vortex creep model, o modelo de arrastre de vórtices.
En este modelo, se supone que el núcleo del púlsar se encuentra en un estado superfluido, lo que significa que puede fluir sin fricción con respecto a la corteza. Esto permite que pueda haber una diferencia en la velocidad de rotación del núcleo y de la corteza.
Sin embargo, este superfluido no rota de la misma manera que un fluido ordinario. En lugar de girar como un cuerpo sólido, la rotación de un superfluido se organiza en vórtices (Figura 5). La distribución y el movimiento de estos vórtices juegan un papel fundamental en la dinámica rotacional del superfluido.
Figura 5: Arreglo de vórtices que determinan la dinámica de rotación del superfluido. Créditos: Rodrigo Zúñiga
En particular, la rotación del superfluido está determinada por la densidad de vórtices, los cuales migran hacia la corteza para disminuir la velocidad de rotación del superfluido y sincronizarse con la rotación de la corteza. Sin embargo, algunos vórtices pueden quedar anclados en imperfecciones de la corteza de la estrella de neutrones, generando una rotación diferencial entre el superfluido y la corteza. Cuando una cantidad suficiente de vórtices se acumula en estas regiones de atrapamiento, la diferencia de velocidad entre el superfluido y la corteza aumenta progresivamente. Eventualmente, cuando la tensión entre ambos componentes se vuelve demasiado grande, los vórtices se liberan en un evento repentino, transfiriendo momento angular y generando un glitch.
Conclusiones
A pesar de las múltiples teorías propuestas, la naturaleza exacta de los glitches en los púlsares sigue siendo un misterio no resuelto. Este desconocimiento resalta la complejidad de estos objetos astrofísicos, lo que subraya la necesidad de más investigaciones y observaciones.
Estudiar los glitches es crucial para entender la física de los púlsares y el comportamiento de la materia en condiciones extremas, como las que existen en el interior de estos cuerpos. Desde el IAR, seguimos con nuestra campaña de monitoreo de púlsares en la cual ya hemos detectado al menos 10 glitches en 6 años de monitoreo, de un total de 700 glitches observados en 50 años[7], contribuyendo a obtener una visión más completa de la física de estos objetos, y, por ende, el comportamiento de la materia en condiciones extremas.