Cómo funcionan los púlsares: los faros cósmicos del universo

Remanentes giratorios de estrellas muertas

En algún lugar de la constelación de Tauro, una densa bola de materia de apenas 20 kilómetros de ancho gira 30 veces por segundo, lanzando haces de ondas de radio al cosmos. Es el Púlsar del Cangrejo, el núcleo colapsado de una estrella cuya explosión fue registrada por astrónomos chinos y japoneses en el año 1054 d.C. Es solo uno de los aproximadamente 3400 púlsares catalogados hasta ahora, y los astrónomos siguen encontrando nuevos misterios en sus señales.

Un púlsar es una estrella de neutrones altamente magnetizada y que gira rápidamente, que emite haces enfocados de radiación electromagnética desde sus polos magnéticos. Debido a que esos polos generalmente están inclinados con respecto al eje de giro, los haces barren el espacio como la lámpara giratoria de un faro. Cada vez que un haz cruza la Tierra, los radiotelescopios registran un "pulso" cronometrado con precisión, de ahí el nombre.

Cómo nace un púlsar

Cuando una estrella masiva, al menos ocho veces más pesada que el Sol, agota su combustible nuclear, su núcleo colapsa en una supernova. La gravedad aplasta protones y electrones para formar neutrones, formando una estrella de neutrones aproximadamente con la masa del Sol empaquetada en una esfera del tamaño de una ciudad. El colapso conserva el momento angular: así como una patinadora artística gira más rápido al acercar los brazos, el núcleo que se encoge se acelera drásticamente.

La estrella de neutrones recién nacida también hereda y amplifica el campo magnético de la estrella progenitora, produciendo campos un billón de veces más fuertes que el de la Tierra. Las partículas cargadas se aceleran a lo largo de las líneas de campo magnético abiertas cerca de los polos, generando intensos haces de radiación de radio, rayos X e incluso rayos gamma.

Un descubrimiento confundido con extraterrestres

En noviembre de 1967, la estudiante de posgrado de Cambridge Jocelyn Bell Burnell notó una "mancha" que se repetía cada 1,337 segundos en casi 30 metros de papel de un registrador gráfico que revisaba cada noche. La señal era tan regular que su equipo, medio en broma, la etiquetó como LGM-1, "Little Green Men 1" (Hombrecitos Verdes 1). En cuestión de semanas, Bell Burnell encontró tres fuentes más, descartando el origen extraterrestre y confirmando una nueva clase de objeto astronómico. El Premio Nobel de Física de 1974 fue para su supervisor Antony Hewish y el astrónomo Martin Ryle; Bell Burnell fue excluida de manera controvertida, aunque más tarde recibió el Premio Breakthrough de Física Fundamental de 2018.

Tipos de púlsares

No todos los púlsares son iguales. Las principales variedades incluyen:

• Los púlsares normales giran una vez cada pocos segundos y se ralentizan gradualmente a medida que irradian energía.
• Los púlsares de milisegundos giran cientos de veces por segundo. Son estrellas de neutrones antiguas "aceleradas" al absorber materia de una estrella compañera. El más rápido conocido, PSR J1748−2446ad, completa 716 rotaciones por segundo: su ecuador se mueve aproximadamente a una cuarta parte de la velocidad de la luz.
• Los mágnetares poseen campos magnéticos hasta mil veces más fuertes que los púlsares ordinarios y pueden emitir poderosas ráfagas de rayos X y rayos gamma. Solo se han confirmado alrededor de dos docenas.

Por qué los púlsares son importantes para la ciencia

Debido a que los púlsares de milisegundos marcan el tiempo con una regularidad que rivaliza con los relojes atómicos, se han convertido en herramientas indispensables para la física y la navegación.

Detección de ondas gravitacionales

Proyectos como NANOGrav monitorean conjuntos de docenas de púlsares de milisegundos distribuidos por todo el cielo. Una onda gravitacional que pasa estira y comprime el espacio-tiempo, alterando mínimamente los tiempos de llegada de los pulsos. En 2023, el conjunto de datos de 15 años de NANOGrav de 68 púlsares produjo la primera evidencia sólida de un fondo de ondas gravitacionales, un zumbido bajo de ondulaciones del espacio-tiempo probablemente generado por la fusión de agujeros negros supermasivos en todo el universo.

Prueba de la relatividad general

Los púlsares binarios, dos estrellas de neutrones que orbitan entre sí, ofrecen laboratorios naturales para la relatividad general de Einstein. La contracción gradual de sus órbitas coincide con las predicciones de pérdida de energía a través de la radiación gravitacional, una confirmación que les valió el Premio Nobel de Física de 1993.

Navegación en el espacio profundo

Debido a que las señales de los púlsares son detectables en cualquier lugar del sistema solar, las naves espaciales pueden usarlas como balizas GPS naturales. Al comparar los tiempos de llegada de los pulsos a bordo con los valores predichos, una sonda podría fijar su posición de forma autónoma, sin necesidad de una estación terrestre.

Aún llenos de sorpresas

Incluso después de casi seis décadas de estudio, los púlsares siguen ofreciendo enigmas. El Púlsar del Cangrejo, por ejemplo, produce extraños patrones de "rayas de cebra" en su espectro de radio que los investigadores solo recientemente han relacionado con un tira y afloja entre la difracción del plasma y las lentes gravitacionales. A medida que entren en funcionamiento los radiotelescopios de próxima generación, como el Square Kilometre Array, se espera que se encuentren miles de púlsares más, cada uno de ellos una sonda de precisión en la física más extrema que el universo tiene para ofrecer.