Nueva misión de la NASA para estudiar misteriosas Estrellas de Neutrones, ayuda en la navegación espacial profunda

Una nueva misión de la NASA se dirige a la Estación Espacial Internacional el próximo mes para observar uno de los objetos observables más extraños del universo.

Lanzando el 1 de junio, el explorador de la composición interior de la estrella de neutrón (NICER) será instalado a bordo de la Estación Espacial como la primera misión dedicada a estudiar estrellas de neutrón, un tipo de estrella derrumbada que es tan densa que los científicos no están seguros cómo la materia se comporta profundamente dentro de ella.

Una estrella de neutrones comienza su vida como una estrella entre siete y veinte veces la masa de nuestro Sol. Cuando este tipo de estrella se queda sin combustible, colapsa bajo su propio peso, aplastando su núcleo y desencadenando una explosión de supernova. Lo que queda es una esfera ultradensa a sólo unos 12 kilómetros (20 kilómetros) de ancho, el tamaño de una ciudad, pero con hasta el doble de la masa de nuestro Sol exprimida dentro. En la Tierra, una cucharadita de materia de estrella de neutrones pesaba mil millones de toneladas.

"Si usted tomó el Monte Everest y lo exprimió en algo así como un terrón de azúcar, ese es el tipo de densidad de la que estamos hablando", dijo Keith Gendreau, el investigador principal NICER en el centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.
Aunque sabemos que las estrellas de neutrones son pequeñas y extremadamente densas, todavía hay muchos aspectos de estos restos de muertes explosivas de otras estrellas que aún no hemos entendido. NICER, una instalación para ser montada en el exterior de la Estación Espacial Internacional, busca encontrar las respuestas a algunas de las preguntas que todavía se preguntan acerca de las estrellas de neutrones. Al capturar la hora de llegada y la energía de los fotones de rayos x producidos por púlsares emitidos por estrellas de neutrones, NICER busca responder a preguntas de décadas sobre las formas extremas de la materia y la energía. Los datos de Nicer también se usarán en sextante, una demostración a bordo de la navegación basada en pulsar. Créditos: Centro Espacial Johnson de la NASA

Debido a que las estrellas de neutrones son tan densas, los científicos no están seguros de cómo se comportan las materias en sus interiores. En la experiencia cotidiana, los objetos están compuestos de átomos. Cuando las estrellas del neutrón se forman, sus átomos se machacan juntos y se combinan. Como resultado, la mayor parte de una estrella de neutrones está formada por partículas subatómicas bien empacadas, principalmente neutrones, así como protones y electrones, en varios Estados. Las mediciones de NICER ayudarán a los científicos a comprender mejor cómo se comportan las materias en este entorno.

"Tan pronto como usted va debajo de la superficie de una estrella de neutrones, las presiones y las densidades aumentan extremadamente rápido, y pronto usted está en un ambiente que usted no puede producir en cualquier laboratorio en la Tierra", dijo el científico de investigación de la Universidad de Columbia, Slavko Bogdanov, que lidera el grupo.

El único objeto conocido por ser más denso que una estrella de neutrones es su primo oscuro, el Agujero Negro. Un Agujero Negro se forma cuando una estrella más de aproximadamente 20 veces la masa de nuestro Sol se derrumba. La poderosa gravedad de un agujero negro establece una barrera conocida como horizonte de sucesos, lo que impide la observación directa. Así que los científicos vuelven a las estrellas de neutrones para estudiar la materia en el límite observable más extremo de la naturaleza.

"Estrellas de Neutrones representan un límite de densidad natural para la materia estable que no se puede exceder sin convertirse en un Agujero Negro", dijo Goddard Zaven Arzoumanian, mejor investigador adjunto principal . "No sabemos qué pasa con la materia cerca de esta densidad máxima."

Con el fin de estudiar este límite, NICER observará las Estrellas de Neutrones de rotación rápida, también conocido como púlsares. Estas estrellas pueden girar cientos de veces por segundo, más rápido que las hojas de una licuadora doméstica. Los púlsares también poseen campos magnéticos enormemente fuertes, billones de veces más fuertes que la Tierra. La combinación de rotación rápida y magnetismo fuerte acelera las partículas a casi la velocidad de la luz. Algunas de estas partículas siguen el campo magnético a la superficie, lloviendo en los polos magnéticos y calentando hasta que forman los llamados puntos calientes que brillan intensamente en la luz de rayos x.

"NICER está diseñado para ver la emisión de rayos x de esos puntos calientes", dijo Arzoumanian. "mientras los spots barren hacia nosotros, vemos más intensidad a medida que se mueven hacia nuestro Sightline y menos a medida que se mueven, iluminando y atenuando cientos de veces cada segundo".

La gravedad de una Estrella de Neutrones es tan fuerte que deforma el espacio-tiempo, el tejido del cosmos, distorsionando nuestra vista de la superficie de la estrella y sus puntos calientes. NICER medirá los cambios de brillo relacionados con estas distorsiones a medida que la estrella gira. Esto permitirá a los científicos determinar el radio del púlsar, una medida clave necesaria para comprender plenamente su estructura interior.

"Una vez que tenemos una medida de la masa y el radio, podemos atar esos resultados directamente en la física nuclear de lo que sucede cuando se comprime tanta masa en un volumen tan pequeño", dijo Arzoumanian.

Neutron star Interior Composition Explorer (NICER)
Además de entender cómo se unen las Estrellas de Neutrones, las observaciones de Nicer también ayudarán a los científicos a comprender mejor la masa crítica que debe alcanzar una estrella antes de que se convierta en un Agujero Negro. Esto es particularmente importante en sistemas donde las Estrellas de Neutrones orbitan otra estrella, permitiéndoles sacar material de la estrella del compañero y ganar más masa.

"Cuanto más Estrellas de Neutrones observamos en las altas masas, mayor será el umbral de masa para que una estrella se convierta en un Agujero Negro", dijo Alice Harding, miembro del equipo de ciencia de NICER de Goddard. "Entender lo que la masa crítica es nos ayudará a determinar cuántos Agujeros Negros y Estrellas de Neutrones hay en el universo."

Nicer también ofrecerá a los científicos y tecnólogos una oportunidad única para hacer avances en la navegación espacial profunda. Sus mediciones de rayos x registrarán los tiempos de llegada de los pulsos de cada Estrella de Neutrones que observa, utilizando las emisiones regulares de púlsares como relojes cósmicos ultra precisos, rivalizando con la precisión de los relojes atómicos como los utilizados dentro de los satélites GPS. El software de vuelo incorporado — desarrollado para el explorador de estaciones para la demostración de la tecnología de la sincronización y de la navegación de la radiografía (sextante) — puede ver cómo la llegada prevista de los pulsos de la radiografía de una estrella dada del neutrón cambia como los movimientos de NICER en su órbita. La diferencia entre los tiempos de llegada esperados y los actuales permite que el sextante determine la órbita de NICER solamente observando los púlsares.

Aunque la nave espacial en órbita terrestre utilice el mismo sistema GPS que ayuda a los conductores a navegar por el suelo, no hay ningún sistema equivalente disponible para las naves espaciales que viajen mucho más allá de la Tierra.

"A diferencia de los satélites GPS, que sólo orbitan alrededor de la Tierra, los púlsares se distribuyen a través de nuestra galaxia", dijo Jason Mitchell, el director de proyectos de sextante en Goddard. "Así que podemos utilizarlos para formar un sistema de GPS-like que pueda apoyar la navegación de la nave espacial a través del sistema solar, permitiendo la exploración del profundo-espacio en el futuro."

La instalación en la Estación Espacial proporciona a científicos y tecnólogos la oportunidad de desarrollar una misión multiusos en una plataforma establecida.

"Con la misión de mejor sextante, tenemos una excelente oportunidad de utilizar la Estación Espacial Internacional para demostrar la tecnología que nos llevará al sistema solar exterior y más allá, y nos dicen acerca de algunos de los objetos más emocionantes en el cielo", dijo Gendreau.

NICER es una misión de Astrofísica de oportunidad dentro del programa Explorer de la NASA, que ofrece oportunidades de vuelos frecuentes para investigaciones científicas de clase mundial desde el espacio utilizando enfoques innovadores, racionalizados y eficientes de gestión dentro de las áreas de Ciencias heliofísica y Astrofísica. La dirección de la misión de tecnología espacial de la NASA apoya el componente SEXTANTE  de la misión, demostrando la navegación espacial basada en pulsar.

By Claire Saravia
NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.

Last Updated: May 26, 2017
Editor: Rob Garner

Traducción: El Quelonio Volador

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