Núcleo oscuro o capa perlada: metamorfosis de las estrellas de neutrones

Las estrellas de neutrones — restos de supernovas — son unos de los objetos más densos del Universo. Su densidad central supera varias veces la nuclear, y su gravedad solo cede ante los agujeros negros. Por eso, las estrellas de neutrones sirven como laboratorio ideal para verificar la física fundamental: desde el comportamiento de la materia a densidades supernucleares hasta las propiedades de la materia oscura, surgida tras el Big Bang. Estos grumos cósmicos de materia son como perlas, nacidas en el fuego de las supernovas, y cada una puede esconder un oscuro secreto.

Una estrella de neutrones es como una perla que se forma en las entrañas del oscuro cosmos. Las partículas de materia oscura actúan como impurezas, capaces de formar una gruesa capa de nácar en la superficie de la estrella o de reunirse en el centro, creando un grano oscuro. Esto es lo que ha mostrado un nuevo estudio: según la masa de las partículas, la materia oscura forma ya sea un halo extendido alrededor de la estrella o un núcleo compacto en su interior. Para describir este fenómeno, los científicos aplicaron un modelo de dos fluidos, donde los componentes nuclear y oscuro interactúan solo mediante la gravedad. La ecuación del equilibrio hidrostático para este sistema recuerda a la ecuación modificada de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, solo que ahora la presión de cada fluido se mantiene de forma independiente, y la curvatura del espacio-tiempo responde a la masa total.

La influencia de la materia oscura depende radicalmente de la masa de sus partículas. La materia oscura ligera (0,2–0,3 GeV) forma un halo enrarecido, aumentando el radio efectivo de la estrella. Es parecido a una gruesa capa de nácar que hace la perla más grande y más vulnerable a las fuerzas de marea externas. La deformabilidad de marea Λ, proporcional a la quinta potencia del radio, crece bruscamente, y estas configuraciones resultaron fuertemente restringidas por los datos del evento de ondas gravitacionales GW170817, registrado por los detectores LIGO, por cuya creación Rainer Weiss recibió el Premio Nobel. La materia oscura pesada (>0,7 GeV), por el contrario, se concentra en un núcleo compacto — como un grano oscuro en el centro de una perla —, haciendo la estrella más pequeña y reduciendo Λ. Aquí, el principal limitante son las mediciones de masa y radio del telescopio de rayos X NICER, que utiliza espectroscopía de la emisión de púlsares, descubiertos en su día por Jocelyn Bell Burnell. El análisis estadístico permitió establecer que, para la materia oscura ligera, su fracción admisible no supera el 11%. Esta es una estimación conservadora, independiente de modelos concretos más allá del Modelo Estándar.

El trabajo abre un nuevo camino en la búsqueda de materia oscura, cuyo inicio se remonta a las observaciones de Vera Rubin sobre la rotación de las galaxias, que señalaron la masa oculta. El enfoque agnóstico, basado en la interpolación de la velocidad del sonido entre regímenes extremos, recuerda la afinación de un instrumento musical complejo, donde cada cuerda es una posible ecuación de estado y los armónicos, los datos observacionales. La restricción de que la velocidad de la luz es el límite superior para la velocidad del sonido actúa como un diapasón, descartando opciones no físicas. En el futuro, nuevos datos de las antenas de ondas gravitacionales de próxima generación y de observatorios de rayos X, como Athena o STROBE-X, permitirán mirar en el corazón mismo de estas perlas, quizás revelando un grano oscuro.