Sabes cal é o final dunha estrela? Das estrelas de neutróns aos buracos negros

O universo é algo que resulta atractivo para case todo o mundo. Pensar no descoñecido, na vida noutros planetas, nese lugar baleiro, na nada, na escuridade... Mesmo dá vértigo imaxinar que non somos máis que unha pinga microscópica dentro dun espazo que escapa á nosa capacidade de raciocinio. Planetas, estrelas, satélites... todos os corpos do universo son interesantes, pero, sen dúbida, hai algúns que espertan máis curiosidade que outros e, entre eles, estarían as coñecidas como estrelas de neutróns, por unha banda, e os buracos negros, pola outra. Ao redor de ambos obxectos creáronse toda unha serie de mitos que aínda a día de hoxe perduran, a pesares de que a ciencia xa os desmontou. Da man de Teodoro Muñoz, astrofísico do Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) que participou nunhas xornadas celebradas na Real Academia Galega de Ciencias (RAGC), descubrimos o verdadeiro funcionamento das estrelas de neutróns e dos buracos negros.

En concreto, pon como exemplo de vida dunha estrela a propia vida humana: "Ambas teñen en común que teñen un comezo e un fin". Así, "as estrelas comezan sendo unha nube de gas, de hidróxeno, cuxa gravidade fai que comecen a colapsar en obxectos estelares, no seu centro son quen de desenvolver reaccións nucleares e ese é o motivo polo que brillan". As estrelas pasan gran parte da súa vida na idade adulta, que é a súa secuencia principal, na que "están queimando hidróxeno, como principal combustible". E, finalmente, "morren de maneira máis espectacular que os humanos, con diferentes tipos de explosións dependendo da súa masa". O final desas estrelas é converterse en estrelas de neutróns ou ben en buracos negros. A que responde o que se convirtan nunha ou noutra cousa? Fundamentalmente á súa masa.

O astrofísico explica que "dependendo de como de masivas sexan van vivir de maneira moi diferente: as máis masivas, que teñen unhas 60, 80 ou 100 veces a masa do noso sol, viven a vida 'a tope', porque a gran cantidade de masa que teñen permítelles queimar material de maneira moi rápida, por iso son as que máis brillan, pero tamén viven moi pouco". Mentres que, "as estrelas menos masivas que o noso sol, son quen de vivir practicamente para sempre". Basicamente e simplificándoo moito, o que acontece no interior dunha estrela é que "se dán reaccións nucleares". Así, "pasan a maior parte da súa vida convertindo átomos de hidróxeno en átomos de helio". Iso é o que fai agora mesmo o noso sol, e esa é a orixe do brillo das estrelas, pero tamén a explicación de por que son estables, pois "calquera corpo en equilibrio precisa estar estable, no sentido de que as súas forzas estean compensadas".

Por unha banda, a gravidade empuxa ás estrelas, como a calquera outro corpo, cara abaixo, o que as levaría a colapsar, pero hai unha forza que as compensa: a presión de radiación. "As reaccións nucleares que se dán no interior da estrela producen moitos fotóns que, ao interaccionar coa materia, producen presión de radiación, o que fai que as estrelas estean en equilibrio", explica Muñoz, que tamén apunta que "a gravidade está aí para sempre, mentres que a presión de radiación nalgún momento vaise esgotar, porque o combustible que está queimando a estrela tamén se vai esgotar". Nese momento no que gaña a gravidade, dependendo do tipo de estrela, ao final vaise dar un colapso que a convirte nunha estrela de neutróns ou nun buraco negro.

SE O COMBUSTIBLE NUCLEAR DO SOL SE ESGOTASE, A TERRA VERÍASE ENVOLTA NAS SÚAS CAPAS EXTERIORES, FORMANDO UNHA NEBULOSA PLANETARIA

O astrofísico explica que estrelas como o Sol ou ata 8 ou 9 veces máis grandes, "cando se remate o hidróxeno vanse quedar cun núcleo de helio e van comezar a quemar o hidróxeno no exterior, ata chegar a queimar o helio". Durante todo este proceso a estrela vaise reaxustar e "entrar nunha fase de estrela xigante". Se isto acontecese co Sol, se esgotase todo o seu combustible nuclear, comezaría a expulsar as súas capas exteriores cara o espazo, e a propia Terra se vería envolta nelas, formando o que se coñece como nebulosa planetaria. Ese é fundamentalmente o final das estrelas de pouca masa. Estas estrelas pouco masivas deixan no seu final un remanente: as ananas brancas. Como apunta Muñoz, "estes obxectos son moi extremos, porque temos que pensar que temos a masa do Sol contida no tamaño da Terra, e iso é un grao de compactación enorme, tan enorme que a estrutura destes obxectos que xa non gozan de presión de radicación ten que estar sostida por algo". 

E que é ese algo que sostén unha anana branca? A presión de dexeneración cuántica. "É a presión de dexeneración dos electróns, un fenómeno cuántico que xorde porque dous electróns non poden ocupar o mesmo estado cuántico, e iso crea unha presión que fai que a estrela non colapse", explica Muñoz. Deste xeito podemos soster a estrutura dunha estrela de ata 1,3 ou 1,4 veces a masa do noso sol. O problema? Que temos estrelas que producen masas máis grandes que iso e que deixan remanentes máis grandes, de ao redor de 9 veces máis masa que a do noso sol. Pero, como explica o astrofísico, con elas "sucede realmente o mesmo: temos a gravidade que actúa sempre e a presión de radiación que é aguantada en principio pola queima do hidróxeno, se é como o noso sol tamén pola queima de helio, que xa dura bastante menos que a do hidróxeno e, se ten certa masa, tamén pola queima de carbono, logo de neón, logo de osíxeno, de sicilio... ata chegar ao ferro".

CANDO EXPLOTAN AS ESTRELAS DAN LUGAR A SUPERNOVAS, CUXOS REMANENTES SON AS NEBULOSAS

Con todo, asegura que "queimar ferro non nos dá enerxía, entón non se produce presión de radiación e atopámonos cun núcleo de ferro que non produce nada, e a estrela colapsa en torno a ese núcleo, e, como a presión non é quen de aguantar os electróns, estes seguen penetrando no núcleo e os novos neutróns que se forman son expulsados do núcleo creándose unha sopa de neutróns". Isto acontece nos núcleos mentres o demais se volve tremendamente inestable, o que dá lugar á explosión dunha supernova, que, en palabras de Muñoz, "é un dos eventos máis espectaculares do universo". "Cando explotan estas estrelas masivas nunha galaxia calquera son capaces de emitir luz superior á do resto da galaxia en conxunto durante uns segundos e tamén deixan como residuo espectaculares remanentes, que son varias masas solares que se están expandindo e están brillando", explica o astrofísico.

Pon como exemplo a nebulosa do Cangrexo, un resto dunha supernova, cuxa explosión foi observada por científicos chineses no ano 1954. No centro da nebulosa está o pulsar do Cangrexo, que na astrofísica de raios X é a fonte que se usa para comparar todas as medidas: "Para ter unha escala relativa dicimos que brilla tantas veces como o Cangrexo", apunta Muñoz. Para poñer as cousas en perspectiva, o astrofísico afirma que a estrela de neutróns mide exactamente o mesmo que a illa da Gomera de diámetro, con 12 quilómetros de radio. "As estrelas de neutróns teñen 1,3 ou 1,4 veces a masa do noso sol, o primeiro grao de compactación implicaría coller o noso sol e metelo nunha esfera do tamaño da Terra, iso sería unha anana branca; o seguinte grao de compactación sería coller esa anana branca e metela no tamaño da illa da Gomera, iso sería unha estrela de neutróns", explica o astrofísico canario.

Como é posible facer isto? "Porque se hai algo que caracteriza ao macro e ao microuniverso é que realmente está baleiro", asegura. E pon o exemplo de ver un átomo como un estadio de fútbol: o seu núcleo simplemente sería o balón central e os electróns serían do tamaño de canicas que andan polas gradas, pero todo o demais está baleiro. Deste xeito, se o apretamos o suficiente, facendo que uns se xunten cos outros, temos o exemplo do que sucede nunha estrela de neutróns. Se tomamos outro exemplo, unha cuchariña feita co material dunha estrela de neutróns pesaría da orde de 1.000 millóns de toneladas, o equivalente tamén a 1 millón de baleas azuis. "Son obxectos ultraextremos, son o corpo máis extremo que a mente humana é quen de concibir, porque os buracos negros case nin podemos concebilos", resalta Muñoz, que tamén apunta que "poden ter campos magnéticos enormes, porque o campo magnético completo redúcese e compáctase tamén na estrela de neutróns, o que dá lugar á emisión de pulsacións que son as que nos permiten descubrilas". 

PARA ABANDOAR UN BURACO NEGRO TERÍAMOS QUE VIAXAR Á VELOCIDADE DA LUZ

Deste xeito, como vimos, as estrelas de neutróns están sustentadas por esa outra propiedade cuántica: a presión de dexeneración dos neutróns. Como explica Muñoz, "sabemos que este tipo de presión aguanta dúas masas solares e os límites teóricos nos din que podería aguantar mesmo tres masas solares, máis aló estamos bastante seguros de que isto non sucede, pois xa falariamos de buracos negros". E explica que "o buraco negro promedio que medimos na galaxia son 8 ou 10 estrelas de neutróns que estarían comprimidas no radio da illa de Tenerife, é dicir, máis ou menos 10 masas solares terían un radio de 30 quilómetros". Con todo, puntualiza que "a definición de buraco negro astrofísico é realmente moi simple: un obxecto tan compacto, cun radio tan pequeno e unha masa tan grande que para abandonar a súa gravidade precísase ir á velocidade da luz". 

Así, se queremos saír da terra, abandonar o campo gravitatorio terrestre, debemos ir a 40.000 quilómetros por hora nun foguete, pero para abandoar un buraco negro temos que ir á velocidade da luz, de tal xeito que nin sequera os fotóns son quen de escapar del. Deste xeito, en vez de ter unha superficie como tal, os buracos negros teñen o que se coñece como horizonte de sucesos. "Cando temos material caendo ás estrelas de neutróns vemos realmente o efecto desa superficie: vemos a emisión da mesma en raios X; mentres que cando temos material caendo nese buraco negro non notamos a súa superficie", explica Muñoz. Na nosa galaxia, e por ese mecanismo, estimamos que existen uns 100 millóns de buratos negros. "O problema é que son difíciles de detectar, detectámolos agora nos últimos 5 ou 6 anos polas ondas gravitatorias noutras galaxias ou cando interactuan con materia próxima", explica o astrofísico.

SÓ SE PODEN DESCUBRIR CANDO ESTÁN ATRAENDO MATERIA CARA ELES

Pola contra, as estrelas de neutróns, aínda que máis difíciles de detectar que as ananas brancas, emiten púlsares que permiten velas, pero os buracos negros non, polo que "precisamos que teñan material moi preto para que ese material sufra as súas consecuencias e poder estudalos". Neste sentido, apunta que os mellores obxectos para estudar os buracos negros na galaxia son o que se denominan sistemas binarios, é dicir, dous obxectos que están rotando en torno a un centro de masas común. Como afirma Muñoz, "un gran número das estrelas que vemos no ceo son estrelas binarias". O que acontece cando estas se aproximan a un buraco negro é que "as capas exteriores desa estrela sinten a gravidade do buraco negro máis intensamente que a súa propia". Para iso recoñece que "hai que estar moi preto, porque de feito se convertísemos o sol nun buraco negro perderiamos a luz que nos chega, pero gravitatoriamente non nos dariamos moita conta". 

Así, cando a estrela está o suficientemente preto como para sentir a gravidade do burato negro, "deixa á estrela compañeira e cae en torno ao buraco negro, seguindo a súa gravidade, e como os dous están rotando no espazo, o material ten tendencia a seguir xirando e forma de maneira natural un disco, o que se coñece como disco de acreción". Os discos de acreción son algo común que tamén pode verse noutros obxectos no universo, pero "cando ocorren nun buraco negro o material, como o radio é tan pequeno e a masa tan grande, cando chega ás capas internas, é quen de xirar a unha fracción importante da velocidade da luz, por exemplo, ao 30 % da velocidade da luz, e esa fricción entre as diferentes capas é quen de elevar a temperatura desas zonas centrais do disco de acreción aos 10 millóns de graos, sendo así capaz de emitir no sistema de raios X". "Eses obxectos son os máis brillantes do ceo nocturno en raios X", afirma Muñoz, que explica que, pola contra, "no ceo diurno o máis brillante continúa sendo o sol, non porque emita moito, senón porque está máis preto de nós".

JORGE CASARES MEDIU POR PRIMEIRA VEZ DE MANEIRA SÓLIDA EN 1992 A MASA QUE HABÍA NESE OBXECTO COMPACTO: MÁIS DE 3 VECES A MASA DO SOL

Con todo, "unha das peculiaridades que teñen estes sistemas é que non están brillando todo o tempo e, por cuestións de estabilidade destes discos a maioría son obxectos transitorios, é dicir, están en quietude, son moi débiles durante décadas e cada certo tempo teñen abrillantamentos que nos raios X son de máis dun millón de veces, o que se coñece como erupcións". Durante esas erupcións é cando se descobren, polo tanto non é tarefa sinxela. Actualmente aínda que se estima que na nosa galaxia hai 100 millóns de buratos negros de masa estelar, só se coñecen 70 e foron descubertos grazas a estas erupcións: "Cando suceden convírtense nas fontes máis brillantes da galaxia e os satélites son quen de detectalos".

Aínda que Muñoz tamén asegura que estudalos na súa fase de quietude é igual de importante, porque "unha vez descubertos, xa sabendo onde están, podemos apuntar cara eles os telescopios máis potentes dos que dispoñemos e, nesa fase de quietude e baixa luminosidade, detectar a estrela compañeira e analizar como orbita en torno ao buraco negro, medindo a súa velocidade e o seu período, para logo aplicando as Leis de Kepler resolver o sistema". Deste xeito foi que o científico Jorge Casares mediu por primeira vez de maneira sólida no ano 1992 a masa que había nese obxecto compacto: máis de 3 veces a masa do Sol. En resumo, trátase de esperar a erupción, detectar o sistema e, cando este volve á quietude, tratar de detectar o seu tamaño, algo que se volve unha verdadeira carreira de competencia entre científicos.

O OBXECTIVO É PODER ESTUDAR EN TEMPO REAL QUE LLE ACONTECE Á MATERIA CANDO CAE NUN BURACO NEGRO

E que se pode facer estudando eses buracos negros? Depende. Algúns están moi próximos, a uns 3.000 anos luz de distancia, son moi brillantes e permiten estudar en tempo real que lle acontece á materia cando cae nun buraco negro. Estes obxectos evolucionan en escalas de tempo que van dende os milisegundos ata os meses, polo que van cambiando constantemente. Muñoz pon o exemplo dunha erupción espectacular que tivo lugar no ano 2015, a do burato negro V404 Cygni, que está a uns 8.000 anos luz e que, despois de estar en quietude durante 26 anos, dende o 89, erupcionara. Ademais, este burato negro é un dos que ten o disco de acreción máis grande, e estivera enchéndoo durante eses 26 anos ata que un día de 2015 entrou en erupción e estivo dando fogonazos durante 12 días.

Descubriuse entón que nestes sistemas había unha especie de vento, producido a consecuencia de material deixando o sistema. "Neste obxecto vimos que existían eses ventos e puidemos ver a cantidade de masa que está involucrada neses ventos, que é superior mesmo á que se acreta, o que representa un problema para estabilizar os discos de acreción", explica Muñoz, que asegura que isto "ten unha importancia enorme á hora de entender que lle sucede á materia cando cae nun burato negro". Ese vento, ademais, "é quen de obscurecer os obxectos case completamente, e non os vemos nos raios X, só podemos ver o vento no infravermello". "Ao final da película o que nos interesa é entender o balance enerxético e de masas que acontecen, saber a onde se vai a enerxía: lanzámoslle un montón de masa a un burato negro e convírtea en enerxía, pero a onde vai esa enerxía? Vaise en radiación ou é enerxía cinética que vai impulsar eses chorros?", conclúe o astrofísico.