Estrellas de Neutrones:
Física extrema en el Universo
Ricardo Heras
Preparatoria Abierta-SEP
www.ricardoheras.com
LAS MISTERIOSAS VELOCIDADES DE LOS PULSARES
• Después de brillar por millones de años, algunas
estrellas gigantes colapsan gravitacionalmente y en
fracción de segundos se desintegran.
• Un producto notable de esta desintegración es una
ESTRELLA DE NEUTRONES.
• Aquí platicaré de las estrellas de neutrones y en
particular sobre sus enigmáticas velocidades de
Las estrellas de neutrones nacen
de eventos catastróficos conocidos
como supernovas
La energía liberada en la
explosión es de ̴ 𝟏𝟎
𝟓𝟑
ergs.
SN 1054: el Cangrejo
El 17 agosto de 1054, el astrólogo del imperio chino
Yang Wei escribió:
“Observé modestamente que una estrella nueva apareció.
Arriba tiene una débil incandescencia amarilla. Si se analizan
cuidadosamente los pronósticos concernientes al emperador,
la interpretación es la siguiente: el hecho que la estrella
forastera no rebase a Pi y a su brillo, significa que el
emperador es una persona de gran valor y dignidad.”
Año 1572
El 11 de noviembre de 1572 una supernova fue observada por
el astrónomo danés Tycho Brahe. En ese entonces era más
brillante que Venus. En marzo de 1574 su brillo había disminuido
de nuevo y ya no se veía a simple. A esta supernova se le conoce
como Nova Tycho.
Año 1604
En octubre de 1604 el astrónomo alemán Johannes Kepler observó una
supernova. El estudio que hizo sobre ella fue tan extenso que
Año 1934
En 1934, Walter Baade y Fritz Zwicky propusieron la
idea teórica de que una estrella de neutrones
Año 1967
En 1967, Jocelyn Bell y Antony Hewish
descubrieron la existencia
de estrellas de neutrones
mientras buscaban
Australian Telescope National Facility
Después de 40 años desde su descubrimiento se han
encontrado más de 2000 estrellas de neutrones. Hoy en día
la astrofísica de estrellas de neutrones es ampliamente
investigada en todo el mundo y es uno de los campos más
prometedores de la astrofísica. También ha contribuido
fuertemente para el desarrollo de la radio astronomía
instrumental
Un remanente estelar debido al núcleo colapsado de una
estrella gigante después de agotar su combustible
nuclear y explotar como una supernova.
Radio ̴ 10 km
Masa ̴ 1.4 masas solares
Densidad ̴𝟏𝟎
𝟏𝟒
g/𝒄𝒎
𝟑
El Teorema de Pines
Sección 1.5 del libro Neutron Stars: equation of state and structure (P. Haensel)
« Las estrellas de neutrones son súper-estrellas»
Demostración:
Las estrellas de neutrones son súper-densas,
súper-rotantes, súper-magnéticas, súper-conductoras,
súper-aceleradoras de partículas, …. súper-veloces!!
LAS ENIGMATICAS VELOCIDADES DE LOS PULSARES
De acuerdo al catálogo de pulsares ATNF el promedio
de sus velocidades espaciales es de 450 km/s.
10 de éstos arriba de 1000 km/s!
La velocidad espacial es mucho mayor que la velocidad de
la estrella progenitora, entonces parece que la estrella de
neutrones recibió un adicional impulso inicial cuyo origen
es un misterio en la física de las estrellas de neutrones
Pulsar Kicks:
¿Pero cúal es su origen?
Basic assumptions in the
Birth-ultrafast-magnetic-field-decay model:
During its birth process a neutron star experiences: 1. An increase of its period from the initial value P0 to the current value Ps
(a change of rotational energy)
2. An exponential decay of its magnetic field from the initial value B0 to the current surface value Bs
(a change of radiative energy)
3. An increase of its space velocity from the initial value V0 to the current value V
Basic assumptions……
4. These birth energy changes are connected by
where and are the radius and mass of the neutron star; the speed of light and the characteristic time of the exponential field decay and the initial velocity is taken to be zero. According to the green formula, the radiation loss and increase of kinetic energy are both at the expense of rotational energy.
[A similar equation but with a different radiative term is the basis of the “Rocket Model” proposed by Harrison ad Tademaru, ApJ , 201, 447 (1975), See Eq. (12)]
Implications of the model:
For the Crab pulsar the equation yields if and
For the magnetar J1809-1943 the equation gives if and
For the IMSP B1257+12 the equation yields if and
The characteristic time is consistent with the idea that all neutron stars are born with magnetic fields in the range of and initial periods in range The time is the shortest theoretical time for a physical kick
Implications of the model……..
From the exponential law and
It follows that is the time decay from to . For field decays from one to eight orders of magnitude one has and therefore
indicating an ultrafast magnetic field decay! With the energy conversion takes the form
This formula is the fundamental equation of the birth-ultrafast-magnetic-field-decay model of neutron stars
Implications of the model……..
From the exponential law and
It follows that is the time decay from to . For field decays from one to eight orders of magnitude one has and therefore
indicating an ultrafast magnetic field decay! With the energy conversion takes the form
This formula is the fundamental equation of the birth-ultrafast-magnetic-field-decay model of neutron stars
According to the red formula, the radiation loss and increase of kinetic energy are both at the expense of rotational energy.
(i) All neutron stars are born with magnetic fields in the range of and initial periods in th range of . Neutron stars are born
with magnetic fields of magnetars and periods of millisecond pulsars
(ii) Very tiny fractions of second after their
formation, neutron stars display their current periods and magnetic fields.
Taking into account that the process is ultrafast the speed can be approximated by which can be used together with the green ad reed
formulas to obtain the birth acceleration
The birth acceleration is determined by the initial
period and magnetic field: P0 and B0 and the current period and magnetic field: Ps and Bs
The birth accelerations of neutron stars
are in the range of
These initial accelerations occuring in
the interval of
They explain the enigmatic (observed)
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