Tesla y los púlsares

Dicen que cuando en 1967 los expertos lograron descodificar el contenido de la cinta VHS  y el Dr. John G. Trump visionó el teslablog correspondiente al número trece (número favorito de Tesla) realizó dos sesudas exclamaciones: “¡¿Pero cómo #$%&# sabía lo de los púlsares esos?!” y “¡¿Qué #$%&# hace Tesla con una botella de anis del mono y un huevo kinder en su escritorio?!”.

Es casi seguro que la segunda exclamación es apócrifa, pues hay dudas razonables de que el Dr. John G. Trump supiera realmente qué es el anís del mono, aunque tampoco se puede decir lo contrario. En cualquier caso, lo del huevo kinder se resolverá en próximos teslablogs. Por el contrario, lo de la relación entre Tesla y el anís del mono quedará como uno más de los misterios inexcrutables asociados a nuestro inventor.

Pero la que si tiene todos los visos de ser cierta es la afirmación acerca de los púlsares, ya que fue precísamente en 1967 cuando estas maravillas del Universo fueron descubiertos y estaban en las portadas de muchos periódicos de la época. Así que, como bien hizo notar un analista aficionado a la astronomía durante las largas sesiones de discusión, nos hallamos ante una nueva incoherencia temporal: Tesla nos habla con total naturalidad de un tipo de objeto que no se descubrió hasta muchos años después de su muerte. No obstante, maneja un conocimiento bastante certero sobre estos fascinantes objetos, que constituyen uno de los pocos escenarios donde tiene sentido utilizar el tesla en lugar del gauss -ver Teslablog #12 - 2012-06-28T00:00:00, "Tesla y el tesla". De hecho, el campo magnético de los púlsares puede alcanzar los cientos de millones de teslas. Como él mismo confiesa, Tesla ha hallado en los púlsares un objeto a su altura.

Llenas de neutrones

Las estrellas de neutrones, o púlsares, son en realidad el núcleo “pelado” de una estrella muy masiva –de entre 8 y 15 veces la masa del Sol–, que ha expulsado su envoltura en una explosión de supernova. Y estas últimas fases de la estrella han modificado el núcleo hasta hacerlo irreconocible: incapaz de producir energía, se contrae hasta que toda la materia se encuentra disociada en los componentes más simples (protones, neutrones y electrones) y la acción de los neutrones detiene la contracción; así se obtiene una estructura formada por una corteza sólida y muy densa y un interior líquido formado en su mayoría por neutrones.

Este agitado nacimiento otorga a la estrella de neutrones ciertas características especiales, como una rápida rotación y un campo magnético tan potente que, teóricamente, puede alterar la forma de los átomos de hierro de la corteza y convertirlos en alargadas agujas. Podríamos pensar en un imán gigante que, al girar vertiginosamente, genera un tremenda cantidad de energía que se manifiesta, por un lado, en la expulsión de partículas en forma de viento y, por otro, en la emisión de radiación en forma de chorros situados en sus polos magnéticos. Como en las estrellas de neutrones el eje de rotación no coincide con el eje magnético (por donde emite la radiación), solo detectamos su emisión cuando el eje magnético corta el eje de nuestra visual en cada rotación. El efecto se asemeja al de un faro, y parece que la estrella de neutrones, más que rotar, pulsa. Esto provocó que originariamente se las bautizara como púlsares.

Superfluido y compacto

Se trata de objetos extremadamente compactos, que pueden contener el equivalente a toda la materia del Sistema Solar en una esfera de veinte kilómetros de diámetro. La estructura de las estrellas de neutrones es muy compleja, con densidades que aumentan desde una tonelada por centímetro cúbico en su superficie hasta los cientos de millones de toneladas por centímetro cuadrado en su centro. Las capas más exteriores constituyen un sólido rígido con una estructura cristalina formada fundamentalmente por núcleos de hierro. En sus capas más internas está formado por una mezcla de material superfluido y superconductor, formado esencialmente por neutrones, con una pequeña proporción de protones y electrones [La superfluidez es un estado de la materia caracterizado por la ausencia de viscosidad -así, en un circuito cerrado, la materia en este estado fluiría interminablemente sin fricción-; la superconductividad es la capacidad que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones].

¿Cómo emiten luz los púlsares?

La luminosidad que emite un púlsar en cada periodo es muy pequeña debido a que la región emisora es de tamaño reducido y se encuentran bastante distantes. Aunque aún no se entiende por completo el mecanismo de emisión, sí que se han asentado algunas ideas básicas:

La estrella de neutrones magnetizada y en rotación genera un campo eléctrico lo suficientemente intenso (la fuerza asociada al campo eléctrico es un billón de veces más intensa que la fuerza gravitatoria) como para arrancar partículas cargadas -electrones- en algunas regiones de la superficie estelar. El campo eléctrico acelera estas partículas, que viajan siguiendo las líneas de campo magnético y pueden alcanzar velocidades próximas a la de la luz (relativistas) en apenas unos centímetros de viaje. Estas partículas cargadas y aceleradas emiten fotones en rayos gamma que, debido a la interacción con el campo magnético y por el proceso de creación de pares, se convierten en pares de electrones y positrones. Estos últimos son nuevamente acelerados y, a los pocos centímetros, vuelven a producir rayos gamma, y así sucesivamente. De este modo, la liberación de electrones de la superficie produce una cascada de partículas que va “rellenando” la magnetosfera.

El campo magnético hace que el plasma denso formado por estas partículas cargadas “arrastradas” rote simultáneamente con el púlsar. Sin embargo, esta rotación simultánea se extiende tan solo hasta una distancia de la estrella tal que la velocidad lineal de las partículas se equipare a la velocidad de la luz. Esta distancia define el denominado cilindro de luz, que divide las líneas de campo magnético en dos familias: abiertas y cerradas (ver imagen). El plasma atrapado en las líneas de campo cerradas rotará simultáneamente con el púlsar para siempre; al contrario, el plasma que sigue las líneas de campo abiertas alcanzará velocidades relativistas y podrá escapar de la magnetosfera, creando el cono de radiación a una distancia de unos cientos de kilómetros de la superficie estelar. Este cono es tanto más estrecho cuanto más relativistas sean las partículas emisoras; por ello, el observador detectará la radiación únicamente cuando apunta directamente hacia él.

Deceleración y evolución de los púlsares

Como se trata de imanes intensísimos en rotación, los púlsares emiten radiación electromagnética asociada al campo magnético. Esto supone que parte de la energía de rotación se transforma en radiación electromagnética, lo que produce una disminución progresiva en la velocidad de rotación. Además, el flujo de partículas relativistas que emana de las regiones polares (denominado viento del púlsar) ejerce un frenado sobre la rotación.

Aunque tan solo una pequeña fracción (una diezmilésima o una millonésima) de la energía rotacional perdida debido al aumento del periodo se transforma en emisión en radio, la mayoría de los púlsares han sido detectados en esta longitud de onda -lo que se debe, en buena medida, a la falta de capacidad tecnológica para detectarlos en rayos X o gamma (algo que ha cambiado en los últimos años con observatorios como Fermi o Chandra).

Es importante señalar que un púlsar viene esencialmente caracterizado por su periodo de rotación y por la ralentización del mismo con el tiempo, lo que se conoce en inglés como el spin down rate. Los valores típicos de variación del periodo oscilan entre 10^-12 segundos por segundo para los púlsares más jóvenes y 10^-21 segundos por segundo para los más viejos (es decir, para que el periodo de un púlsar viejo se retrase un segundo han de transcurrir ¡¡más de treinta billones de años!!).

Podríamos pensar en un posible evolución en la vida de los púlsares: se considera que los púlsares nacen con un periodo de entre 14 y 140 milisegundos de tiempo. Con la edad, van evolucionando hacia periodos típicos de 600 milisegundos, donde pasan la mayor parte de su vida. Como no se conocen radio púlsares con un periodo de giro por encima de los ocho segundos, se cree que una estrella de neutrones deja de funcionar como púlsar cuando su periodo llega a este valor máximo, que se alcanzaría cuando el objeto alcanza los diez millones de años de edad. El motivo de la "muerte" reside en que, al decelerar la rotación, el campo eléctrico generado pierde fuerza y, o bien ya no puede arrancar partículas cargadas o es incapaz de acelerarlas para producir radiación.

En fin, un objeto tan fascinante y mágnético como nuestro inventor favorito.