¿Qué es un Púlsar? Descubrimiento y formación

Un púlsar es una estrella de neutrones altamente magnetizada que gira a una velocidad increíblemente alta emitiendo radiación en forma de haces energéticos desde sus polos.

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En el Universo existen objetos astronómicos que, desde que alzamos la vista al cielo para responder a las grandes preguntas sobre el Cosmos, nos han demostrado una y otra vez que entre la inmensidad del espacio se encuentran monstruos que parecen jugar con las leyes de la astrofísica y que nos hacen cuestionarnos cuál es la frontera entre la ciencia y la ficción.

Pero uno de los más asombrosos cuerpos celestes son, sin duda, los púlsares. Todo en ellos, desde su descubrimiento en los años 60 hasta su formación, pasando por las implicaciones que han tenido en la evolución del Universo, es fascinante. Así pues, en el artículo de hoy vamos a rendir homenaje a estos púlsares. Empecemos.

1967: Jocelyn Bell y el descubrimiento del púlsar

Nuestra historia por el Universo empieza en La Tierra. En la década de los sesenta, el mundo de la astronomía estaba viviendo su nueva edad de oro. En una época donde la tecnología ya nos había permitido extender nuestra mirada más allá del cielo y sumergirnos en las profundidades del Universo, llegaría una de las grandes revoluciones de una ciencia que día a día nos demostraba que el Cosmos es un lugar más extraño de lo que cualquiera podía imaginar.

Después de una década desde que estos primeros observatorios entraran en funcionamiento, la radioastronomía estaba emergiendo como una disciplina que nos iba a permitir descifrar algunos de los mayores enigmas del Universo. Ya no estábamos limitados a explorar el Cosmos en busca de luz visible. Los radiotelescopios, capaces de detectar señales de radio procedentes de los confines más lejanos del espacio, abrían ante nosotros un nuevo Universo de posibilidades.

Pero nadie imaginaba que iba a ser una joven chica de un pequeño pueblo de Irlanda quien nos iba a transportar hasta el lado más devastador del Cosmos. Era el año 1967. Jocelyn Bell, una estudiante de física de la Universidad de Cambridge, recibe la oportunidad, a sus 24 años, de obtener un doctorado en la ciencia que desde niña, tanto había amado: la astronomía.

Y movida por una enorme fascinación por los objetos celestes que nos permitieran comprender cómo había evolucionado el Universo desde su nacimiento, Jocelyn no dudó en buscar una plaza en el equipo de Tony Hewish, quien lideraba al equipo de investigación del Observatorio de Radioastronomía Mullard, asociado a la Universidad de Cambridge.

Jocelyn encontró un lugar donde desarrollar su tesis doctoral, que iba a centrarse en la identificación de unos extraños objetos que habían sido recientemente descubiertos. La joven física inició un proyecto para encontrar y comprender la naturaleza de los cuásares, unos ancestrales y colosales objetos astronómicos que determinaron la evolución del Universo en sus orígenes que emitían inmensas cantidades de energía en todo el espectro de radiación electromagnética. Más tarde comprenderíamos que los cuásares eran agujeros negros hipermasivos rodeados de un disco de plasma increíblemente caliente que liberan jets de radiación que hacen que brillen más que una galaxia entera.

Pero en ese momento, eran un absoluto misterio. Y la radioastronomía era nuestra herramienta para encontrarlos y estudiarlos. Durante interminables jornadas, Jocelyn analizaba los resultados de los radiotelescopios en busca de señales de radio que pudieran indicar la presencia de cuásares. Pero fue tras un mes de iniciar su proyecto, que encontró algo extraño procedente de las profundidades del Universo.

Por pura casualidad, Bell vio que en un centímetro de esos resultados, había un patrón que salía de la normalidad. No parecía del todo una señal similar a la de un cuásar pero tampoco encajaba con una interferencia provocada por una señal de radio terrestre. Jocelyn pensó que era solo una anomalía de la que no debía preocuparse y continuó su búsqueda.

Día a día escaneaba los cielos en busca de centelleos en las galaxias lejanas para encontrar esos objetos celestes para su tesis. Pero semanas después, volvió a encontrarse con esa señal. La casualidad dejó de ser una opción para Jocelyn y durante horas estuvo apuntando a esa región del firmamento, tomando datos más lentamente para poder ampliar esa misteriosa señal.

Y cuando obtuvo los resultados, Jocelyn no podía creer lo que estaba viendo. Era una serie de pulsos perfectamente espaciados. Algo estaba enviando unas señales de radio perfectamente periódicas desde las profundidades del Universo, a más de 1.000 años luz de distancia. No tenía ningún sentido. Había dado con algo desconocido para la ciencia.

Jocelyn, inmediatamente fue hablar con sus supervisores, quienes le dijeron que debía tratarse de una interferencia o de un cuásar inusualmente constante. Pero cuando Bell les dijo que la señal estaba llegando de forma perfecta cada 1,3 segundos, todo cambió. Esa periodicidad descartaba que se trata de un objeto colosal como un cuásar. Debía ser algo de tamaño más pequeño, como una estrella. Pero las estrellas no podían emitir fuentes de radio. Y fue en ese momento que todas las alarmas se encendieron.

Porque ahí estaba esa señal, perfectamente inmutable. No parecía haber otra explicación que no fuera la que todos más temían: vida inteligente. Solo una señal de radio de otra civilización alienígena podía llegar a la Tierra de una forma tan perfectamente periódica. La propia Jocelyn bautizó a esa señal como Little Green Men, en alusión a que tal vez aquello era el primer indicio de una forma de vida extraterrestre que estaba intentando contactar con nosotros.

Tal fue la alarma que el propio Gobierno buscó respuestas en el observatorio, con gente hablando de cómo, si una forma de vida estaba buscándonos, era única y exclusivamente para colonizar nuestro planeta. Muchos esfuerzos tuvieron que hacerse para que la noticia no llegara a la prensa, a la espera de que alguien pudiera resolver lo que parecía el inicio de una nueva era en la humanidad. La era en la que establecíamos contacto con alguien ahí fuera.

Pero fue entonces cuando Jocelyn, una noche intentando conciliar el sueño en un momento de tal tensión, recordó esa primera señal que había captado semanas antes. Sin dudarlo, fue al observatorio en plena noche y buscó en el cielo esa misma región otra vez. Era la noche del 21 de diciembre de 1967. Y Bell, con el corazón en un puño, dio otra vez con ella, la amplificó y vio que era exactamente el mismo patrón que la misteriosa señal que les preocupaba.

Jocelyn sabía que estaba desmontando la teoría de los aliens. Era imposible que dos civilizaciones extraterrestres, en rincones tan alejados del Universo, ambas estuvieran intentando contactarnos. Sabía entonces que solo quedaba una posibilidad. Tenía que ser un nuevo objeto astronómico nunca descubierto. Bell acababa de encontrar la primera evidencia de una nueva clase de estrella.

Todo se hizo público y la prensa mundial acudió al observatorio para cubrir uno de los acontecimientos científicos más importantes de las últimas décadas. El mundo, por primera vez, oyó hablar de una estrella que nos iba a hacer reescribir todo lo que creíamos conocer acerca del Universo. Jocelyn Bell había descubierto un púlsar, una diminuta estrella que rotaba a una velocidad perfectamente estable, emitiendo haces de radiación. Había descubierto unos faros en medio de la oscuridad. El observatorio de radioastronomía nos había demostrado lo que se esconde en las profundidades del Universo, abriendo la puerta a una nueva era para la cosmología.

El descubrimiento del púlsar nos demostró que existía un nuevo tipo de estrella en el Cosmos, pero más allá de que eran muy energéticas y que eran estrellas inusualmente pequeñas, con un tamaño que fue descrito como el de un planeta, sabíamos muy poco sobre ellos. Y para entender su evolución, tuvimos que remontarnos a los años 30, cuando se propuso que de las cenizas de una supernova, podía quedar el núcleo condensado de la estrella madre, dejando así una esfera de neutrones compuesta del que sería el material más denso del Universo. Nadie hizo caso a esta teoría que parecía tan extraña. Pero con el descubrimiento de los púlsares, vimos que era una realidad. Necesitábamos comprender su origen. Pero todo parecía indicar que un púlsar no era más que la evolución de lo que había sido bautizado como una estrella de neutrones.

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Chandra y el origen de las estrellas de neutrones

Tras más de treinta años desde su descubrimiento, estamos presenciando el lanzamiento de la misión espacial que arrojará luz al misterio acerca de las estrellas de neutrones. En verano de 1999, el observatorio de rayos X Chandra es puesto en órbita alrededor de la Tierra para que descifre la naturaleza de lo que aguarda en las profundidades del Universo.

Sin estar limitado por las interferencias en la atmósfera terrestre y con una resolución mil veces superior a la del primer telescopio orbital de rayos X, Chandra inicia una misión en la que explorará los confines del Cosmos en busca de radiaciones ancestrales que nos ayuden a comprender de dónde venimos y hacia dónde vamos. Y tras más de 8.000 días en operación ininterrumpida, Chandra ha dejado un legado inigualable. Y entre sus aportes, nos ha mostrado las entrañas de esas extrañas estrellas. Solo nos pedía mirar lejos en el espacio y en el tiempo.

Nos encontramos en algún lugar de la Vía Láctea hace 10.000 millones de años. Nuestro viaje nos obliga a remontarnos diez mil millones de años en el pasado, en una Vía Láctea que se encuentra en las primeras etapas de su vida. En ella, inmensas nubes de gas en la galaxia actúan como fábricas de estrellas.

En ciertos lugares, el polvo de estas nebulosas colapsa bajo su propia gravedad hasta que la temperatura en el centro de estas masas llega un punto en el que se inician las reacciones de fusión nuclear. Una estrella, bautizada como Vela, acaba de nacer en las profundidades de una nebulosa. Una estrella con una masa diez veces superior a la que va a tener nuestro Sol se ha convertido en el centro de masas de un sistema estelar que va a vagar por el espacio durante lo que, desde nuestra perspectiva humana, es una eternidad.

Nuestra estrella va a vivir toda su vida fusionando átomos en su corazón, creando elementos cada vez más pesados en el núcleo. Pero tras miles de millones de años, las reacciones de fusión nuclear habrán llevado a la formación del hierro, momento en el que la estrella empieza a envenenarse. Las reacciones nucleares comienzan a extinguirse y Vela aumenta de tamaño hasta convertirse en una supergigante roja, devorando a aquellos mundos que habían orbitado a su alrededor.

Pero cuando la fusión nuclear se detenga por completo, no habrá ninguna fuerza que mantenga la cohesión en la estrella. Y en un instante, Vela colapsa bajo el propio peso de su gravedad, arrastrando repentinamente billones de toneladas de gas y plasma hacia el núcleo, que erupciona en el fenómeno más violento del Universo. Hace 11.000 años, el colapso gravitatorio de nuestra estrella la ha llevado a morir estallando en una supernova.

Por la presión en el núcleo de la estrella, los átomos se desgarran. El colapso gravitatorio vence al electromagnetismo y los electrones se acercan al núcleo atómico. No ha sido suficiente para fracturar el propio espacio-tiempo y conducir a la formación de una singularidad que creará un agujero negro. Se ha quedado en la frontera. Los electrones han colisionado con los protones y se han convertido en neutrones.

Los átomos han desaparecido y solo ha quedado un material compuesto por puros neutrones donde no hay nada que impida que se separen entre sí. Y como remanente de la supernova, la estrella ha dejado un recuerdo de su existencia. Cuando el gas se disipa, vemos que ha permanecido un monstruo. Una esfera del material más denso del Universo. Se ha formado una estrella de neutrones.

Una estrella con una masa similar a la del Sol pero con un diámetro de apenas 10 km. Una esfera no superior a la Isla de Manhattan. Una densidad tan inconcebiblemente elevada que explica que esta estrella de neutrones genere una gravedad 200 mil millones de veces superior a la de la Tierra. Unas estrellas de neutrones que, muchas veces, evolucionaban hasta ese extraño objeto que Jocelyn Bell había descubierto.

La estrella que hemos acompañado durante toda su vida, se había convertido en un púlsar. Un púlsar que desde la supernova que lo originó hace ahora 11.000 años ha cubierto los cielos de esos mundos desolados de lo que un día fue su sistema. El púlsar Vela fue observado por Chandra y los resultados obtenidos son los que nos permiten comprender qué ocurre en el interior de una estrella de neutrones. Chandra, como nos prometió, nos llevó al lado más desconocido del Universo.

Con este conocimiento sobre la vida y muerte de las estrellas, entendimos que las estrellas de neutrones son el destino de aquellas estrellas demasiado pequeñas como para colapsar en un agujero negro pero demasiado grandes como para morir plácidamente hasta convertirse en una enana blanca. El colapso gravitatorio de la estrella estaba haciendo que todo se comprimiera hasta romper los átomos y quedarnos con una pasta de neutrones donde las leyes astrofísicas eran llevadas al extremo. Pero no fue hasta que el telescopio Chandra estudió el Púlsar Vela que, por fin, pudimos descubrir qué ocurre en el corazón de una estrella de neutrones.

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Estrellas de neutrones, púlsares y magnetares: ¿qué son?

Constelación de Escorpio, 9.000 años luz de la Tierra. Nos encontramos en las inmediaciones de Scorpius X-1, una estrella de neutrones que forma parte de un sistema estelar binario en el que absorbe materia de su estrella hermana por la intensa gravedad que genera. Este devorador de estrellas es perfecto para emprender un viaje hacia las profundidades de una estrella de neutrones.

Si nos pudiéramos acercar a ella, descubriríamos una atmósfera de apenas cinco centímetros de espesor, pues todo el gas es arrastrado por el poder gravitatorio de esta minúscula pero poderosísima esfera. Bajo ella, descubrimos una corteza de hierro ionizado, una mezcla de cristales y electrones que fluyen libremente. Una corteza que, por la inmensa gravedad de la estrella, es perfectamente lisa, impidiendo que en toda la esfera haya protuberancias mayores a medio centímetro.

Y si viajamos más allá de esta corteza, nos encontraríamos con el material más denso del Universo. Sin un solo átomo de materia, todo se reduce a una pasta de neutrones a más de un millón de grados que alcanza unas densidades 100 billones de veces superior a la del hierro. Una sola cucharada de estrella de neutrones pesaría tanto como el Monte Everest.

Y al llegar a su corazón, descubriríamos la que probablemente es la forma de materia más extraña del Cosmos. Un superfluido. Un estado de la materia sin fricción que representa el último bastión de la realidad que conocemos antes de que el espacio-tiempo se quiebre con la consecuente formación de un agujero negro. La frontera entre la materia del Universo y el mundo que se esconde en la singularidad de esos monstruos oscuros. Las estrellas de neutrones como Scorpius X-1 son el último vestigio del Universo antes de que todas las leyes astrofísicas colapsen.

Conocemos cerca de 2.000 estrellas de neutrones en nuestra galaxia porque a pesar de ser diminutas esferas en medio de la inmensidad del vacío, muchas veces dan señales de su presencia, convirtiéndose en faros que arrojan luz a la oscuridad del Cosmos. Porque fruto del colapso gravitatorio, las estrellas de neutrones rotan increíblemente deprisa, con una energía inconcebiblemente alta que hace que el movimiento rotacional se amplifique, hasta que al llegar al 20% de la velocidad de la luz, todo cambia.

Una estrella de neutrones puede rotar más de 700 veces por segundo, generando unos haces de energía que emanan de cada uno de los polos magnéticos de la esfera. Y si su eje rotacional no está perfectamente alineado, los hace crearán círculos. Cuando esto sucede, ha nacido un púlsar. La estrella va a comportarse como un faro en el Universo y si estamos en el camino de uno de sos haces, vamos a percibir esa radiación llegando a nosotros con una periodicidad perfecta.

Pero hay ocasiones en las que una estrella de neutrones no evoluciona hacia un púlsar, sino hacia un objeto incluso más extraño y devastador. Todas ellas desarrollan campos magnéticos increíblemente intensos, pero algunas de ellas llevan esto al extremo. Ciertas estrellas de neutrones evolucionan en magnetares, los objetos con el campo magnético más potente del Universo.

Capaces incluso de fracturar su propia corteza y de ocasionar terremotos estelares, los magnetares tienen un campo magnético mil billones de veces superior al de la Tierra. Estos monstruos destruyen cualquier objeto celeste que se aproxime, pues cualquier partícula demasiado cerca de él, sería arrastrada fuera del átomo del que forma parte.

Los magnetares brillan intensamente, pero su propio campo magnético es su maldición. Todo aquello que atrae a sus cercanías ralentiza su rotación hasta que llega un momento que su campo magnético muere. Y tras emitir sus últimos haces de radiación, el magnetar se apaga para siempre, dejando los remanentes de una estrella de neutrones que va a vagar por la inmensidad del espacio para toda la eternidad.

Una vez descubrimos lo que ocurría dentro de una estrella de neutrones y cómo esta podía evolucionar hacia esos púlsares que actuaban como faros en medio de la oscuridad del Universo y en magnetares con el poder de destruir mundos, creímos haber desentrañado todos los misterios acerca de estas estrellas que empujan a la astrofísica a sus límites. Pero una vez más nos equivocamos. Y hace unos años vimos que las estrellas de neutrones todavía tenían un as bajo la manga. Un último fenómeno que esta vez nos permitiría responder la gran pregunta de la historia de la humanidad.

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El evento de la Kilonova de 2017

Nuestro viaje nos lleva de vuelta a la Tierra, al corazón de los bosques del estado de Louisiana, en Estados Unidos. En ellos se encuentra el Observatorio LIGO, una instalación que fue construida para confirmar la existencia de las ondas gravitatorias, unas perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por fenómenos gravitacionales muy poderosos, como una supernova o una colisión de agujeros negros.

Desde que en el año 2015 realizáramos la primera observación directa de una de ellas, la búsqueda de las ondas gravitacionales se convirtió en una odisea que esperábamos que nos condujera a comprender los orígenes del Universo. Lo que nadie esperaba es que también nos ayudaran a comprender el origen de la propia vida en la Tierra.

Era el 17 de agosto de 2017. Los científicos de LIGO detectan una onda gravitacional inusualmente prolongada y dos segundos después, un haz de radiación gamma procedente de esa misma región del cielo de la que venían las ondas gravitatorias. Inmediatamente supieron que algo estaba ocurriendo. Acababan de dar con algo distinto a todo lo que conocíamos.

El equipo envió una señal de alerta a todos los observatorios del mundo pidiendo que enfocaran sus telescopios hacia esa zona del firmamento. Cientos de astrónomos, durante horas, recogen datos de ese misterioso evento en las profundidades de la Constelación de Hidra. Y cuando los revelaron, nada de lo que veían tenía sentido.

No era únicamente ondas gravitacionales y radiación gamma. También había luz visible. Era la primera vez en la historia que los astrónomos detectaban una fuente que emitía ondas gravitatorias y luz. No podía ser una colisión de agujeros negros, tenía que ser algo distinto. Y de todas las posibilidades, solo había una que podía explicarlo.

A 130 millones de años luz de distancia, en la galaxia NGC 4993, dos estrellas de neutrones quedaron atrapadas bajo un centro de masas en común. Y en las más devastador baile cósmico del Universo, ambas estrellas de neutrones colisionaron, estallando en el fenómeno más violento que la astrofísica había conocido. Estábamos presenciando una colisión de estrellas de neutrones que ocurrió hace 130 millones de años en los confines del Universo. Habíamos captado los ecos de lo que fue bautizado como una kilonova.

Los astrónomos acababan de descubrir un fenómeno totalmente nuevo para la ciencia, dos estrellas de neutrones fusionándose y estallando en una erupción mucho más poderosa que cualquier supernova. Y fue entonces cuando nos dimos cuenta que, tal vez, estas kilonovas podían explicar por qué todos nosotros estábamos aquí.

Sabíamos que los elementos más pesados que el hierro no podían formarse por las reacciones de fusión nuclear en el corazón de las estrellas. Y nuestra única esperanza para entender de dónde venían los elementos más pesados que conformaban el Universo tal y como lo conocemos eran las supernovas. Durante mucho tiempo, creímos que estas erupciones estelares eran la fábrica de los elementos del Cosmos.

Desde el gas de los gigantes gaseosos del Universo hasta las moléculas orgánicas que permitieron el nacimiento de la vida en la Tierra, parecía que todos esos elementos procedían de las supernovas. Pero cuando ejecutábamos las simulaciones, veíamos que algo no encajaba. Las supernovas no podían generar algunos de los elementos más pesados de la tabla periódica.

Pero no conocíamos ningún otro fenómeno en el Universo que pudiera ser la fábrica de estas piezas de la materia. Al menos, no hasta ese año 2017. Porque con su descubrimiento, vimos que esas kilonovas sí que podían emerger los elementos que faltaban para completar el puzzle. Nos dimos cuenta de que las colisiones de estrellas de neutrones eran las únicas que podían explicar de dónde procedían estos constituyentes del Universo y, en última instancia, de la vida.

Es irónico ver cómo esos monstruos donde las leyes de la astrofísica están al límite de derrumbarse han sido las responsables, colisionando entre ellas, de dar al Cosmos los ingredientes para que este adquiriera todo su esplendor. Estos mismos elementos que nos conforman, a ti que estás viendo esto y a todo lo que te rodea, procede de dos estrellas de neutrones que colisionaron hace cientos de millones de años en algún rincón del Universo.

Estamos más ligados de lo que creemos a esas esferas que habitan esa efímera frontera entre el mundo que conocemos y el mundo oculto en las profundidades de un agujero negro. Y tanto es así que desde que fuera lanzada en 1977, la sonda Voyager 1 contiene un disco de oro en el que está inscrito un mapa para que una supuesta civilización inteligente pueda localizarnos en el espacio.

Y ese mapa en esa botella dentro del océano cósmico que enviamos a las profundidades del Universo muestra nuestra ubicación relativa a los 14 púlsares más cercanos al Sistema Solar, donde está codificada también su período de rotación. Como faros en la oscuridad, estos púlsares guiarían a esa civilización hasta nuestro hogar.

La Voyager 1 se adentró en el medio interestelar hace unos diez años y no se espera que llegue a la estrella más cercana hasta dentro de 40.000 años, por lo que este mapa inscrito en su disco de oro no es más que una metáfora para demostrar que estamos listos para entrar en la era de la exploración espacial. Y cuando seamos nosotros la civilización capaz de cruzar la frontera de los viajes entre las estrellas, estos púlsares serán nuestros guías. Nuestros faros en medio del oscuro y frío vacío.

Aquello que seguiremos para orientarnos en el vacío. Las luces que nos indicarán el camino a seguir para alcanzar nuevos mundos y encontrar un nuevo hogar en el que la humanidad pueda persistir cuando la Tierra deje de ser un planeta habitable. Llegará un momento en el que estos púlsares serán la clave para ir más allá del Sistema Solar y adentrarnos en las entrañas de la Vía Láctea sin perdernos en ella.

Por suerte, todavía tenemos mucho tiempo para seguir estudiando su naturaleza. No sabemos hacia dónde nos llevará este camino. Lo único que sabemos es que es en esas pequeñas esferas que juegan con las leyes de la astrofísica que se encuentra nuestro pasado pero también nuestro futuro. Y es que es en la naturaleza más elemental de las estrellas de neutrones que se encuentran no solo las respuestas al origen de la vida, sino también los grandes misterios acerca de la evolución del Universo. Solo el tiempo dirá si, como civilización, somos capaces de encontrar la luz en medio de la oscuridad.

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