Descubren lo masiva que puede ser una estrella de neutrones: una cucharadita pesa millones de toneladas y el tiempo se ralentiza

Un equipo de científicos ha confirmado que una estrella de neutrones no puede superar aproximadamente entre 2,2 y 2,3 veces la masa del Sol sin colapsar y convertirse en un agujero negro. La conclusión, obtenida mediante modelos avanzados de física nuclear y contrastada con observaciones astronómicas recientes, ofrece una de las estimaciones más precisas hasta la fecha sobre el llamado límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV), una frontera teórica perseguida por los astrofísicos desde hace más de ocho décadas.

El hallazgo, presentado por investigadores del HUN-REN Wigner Research Center for Physics de Hungría, ayuda a responder una pregunta fundamental: ¿cuál es el peso máximo que puede soportar una estrella de neutrones antes de sucumbir a la gravedad y transformarse en un agujero negro? La respuesta parece estar mucho más cerca de lo que se pensaba.

Como faros cósmicos comprimidos hasta extremos inimaginables, las estrellas de neutrones representan algunos de los objetos más extraños del universo. Y, sin embargo, todavía guardan secretos capaces de desafiar nuestra comprensión de la materia.

El desafío de comprimir dos soles en una esfera de apenas 12 kilómetros

Las estrellas de neutrones nacen cuando una estrella masiva agota su combustible y explota como supernova. Lo que queda es un núcleo extraordinariamente compacto donde la materia se encuentra en condiciones imposibles de reproducir en laboratorios terrestres.

Una sola cucharadita de material de una estrella de neutrones pesaría miles de millones de toneladas en la Tierra. La densidad es tan extrema que los átomos dejan de existir como los conocemos y los protones y electrones se fusionan para formar neutrones.

Las estrellas de neutrones nacen cuando una estrella masiva agota su combustible y explota como supernova.

Pero existe un límite físico. Si la masa acumulada es demasiado grande, ni siquiera la presión cuántica que sostiene a los neutrones puede resistir el aplastamiento gravitatorio. La cuestión es determinar exactamente dónde se encuentra esa frontera.

Para responderla, los investigadores emplearon dos modelos diferentes de materia nuclear. El primero, denominado SFHo, describe una materia más compresible y flexible. El segundo, DD2, asume una materia más rígida y resistente a la compresión.

Sin embargo, había un requisito imprescindible: ninguna propiedad interna del material podía permitir que la velocidad del sonido superara la velocidad de la luz, algo que violaría las leyes fundamentales de la física. Para evitarlo, los autores incorporaron restricciones procedentes de la cromodinámica cuántica perturbativa (pQCD), la teoría que describe la interacción entre quarks y gluones a energías extremas. El resultado fue sorprendente.

Una cucharadita que pesa millones de toneladas y un reloj que corre más despacio

Las cifras asociadas a las estrellas de neutrones parecen extraídas de la ciencia ficción, pero son consecuencia directa de las leyes de la física. La materia de estos objetos está tan comprimida que una simple cucharadita de su material podría pesar cientos de millones de toneladas en la Tierra. Para ponerlo en perspectiva, una cantidad equivalente de materia ordinaria apenas alcanzaría unos pocos gramos.

Esta densidad extrema convierte a las estrellas de neutrones en auténticos laboratorios naturales para estudiar la materia bajo condiciones imposibles de reproducir en nuestro planeta. En su interior, los núcleos atómicos se encuentran tan apretados que los científicos aún debaten si pueden aparecer estados exóticos de la materia formados por quarks libres o partículas todavía desconocidas. “Las cifras asociadas a las estrellas de neutrones parecen extraídas de la ciencia ficción, pero son consecuencia directa de las leyes de la física. 

Pero hay otro fenómeno aún más desconcertante. La gravedad en la superficie de una estrella de neutrones es tan intensa que altera el propio flujo del tiempo. Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, cuanto más fuerte es un campo gravitatorio, más lentamente transcurre el tiempo para quien se encuentra inmerso en él.

Como consecuencia, si una persona pudiera permanecer en la superficie de una estrella de neutrones —algo físicamente imposible debido a las condiciones extremas— experimentaría una notable dilatación temporal. De forma aproximada, por cada 60 minutos vividos junto a una estrella de neutrones, un observador situado lejos de su influencia gravitatoria percibiría alrededor de 65 minutos. El tiempo, literalmente, transcurriría a ritmos distintos para ambos.

La naturaleza extrema de estos objetos queda reflejada también en algunos récords astronómicos. En 2010, un equipo internacional de investigadores anunció la medición de una de las estrellas de neutrones más masivas conocidas, el púlsar PSR J1614−2230, situado a unos 3.000 años luz de la Tierra. Este remanente estelar gira sobre sí mismo unas 317 veces por segundo, una velocidad tan vertiginosa que cada rotación dura apenas tres milésimas de segundo.

Por cada 60 minutos vividos junto a una estrella de neutrones, un observador situado lejos de su influencia gravitatoria percibiría alrededor de 65 minutos.

Pero hay un detalle fascinante: cuanto más masivas resultan estas estrellas, más cerca se encuentran del abismo gravitatorio que las separa de los agujeros negros. Y precisamente esa frontera, situada ahora en torno a las 2,2–2,3 masas solares según el nuevo estudio, es la que los astrónomos empiezan a definir con una precisión sin precedentes.

Dos modelos distintos, una misma respuesta

Cuando los científicos compararon sus simulaciones con observaciones reales, ambos modelos comenzaron a converger hacia la misma cifra. Una de las claves llegó gracias al telescopio espacial NICER, instalado en la Estación Espacial Internacional, que estudia puntos calientes en la superficie de púlsares en rotación. Estos datos permiten estimar con precisión masas y radios de estrellas de neutrones.

Posteriormente, el equipo incorporó información procedente de GW170817, el histórico evento detectado en 2017 por observatorios de ondas gravitacionales, correspondiente a la primera colisión confirmada entre dos estrellas de neutrones. Aquí apareció uno de los datos más reveladores del estudio: independientemente del modelo utilizado, el límite máximo se situaba sistemáticamente entre 2,2 y 2,3 masas solares.

Independientemente del modelo utilizado, el límite máximo se situaba sistemáticamente entre 2,2 y 2,3 masas solares.

Pero hay un detalle que resulta especialmente intrigante. Aunque las masas coincidían, los radios presentaban pequeñas diferencias según el modelo empleado. Aun así, las estimaciones apuntan a que una estrella de neutrones cercana a su límite tendría un radio aproximado de unos 12 kilómetros, apenas el tamaño de una ciudad mediana. En otras palabras, la masa equivalente a más de dos soles estaría confinada en una esfera que podría caber cómodamente dentro de una gran área metropolitana.

Los misteriosos objetos que podrían no ser estrellas de neutrones

La nueva investigación no solo establece un límite teórico. También tiene consecuencias inmediatas para algunos de los objetos más desconcertantes descubiertos en los últimos años. Uno de ellos es GW190814, detectado mediante ondas gravitacionales en 2019. Este objeto posee una masa estimada de 2,59 masas solares, situándose precisamente en la denominada “brecha de masas”, una región donde resulta difícil determinar si un objeto es una estrella de neutrones extremadamente pesada o un agujero negro inusualmente ligero.

Durante años, GW190814 ha sido objeto de debate. Sin embargo, los nuevos resultados parecen inclinar claramente la balanza. Si el límite real está en torno a 2,3 masas solares, entonces GW190814 sería demasiado masivo para ser una estrella de neutrones estable.

Otro caso similar es HESS J1731-347, un objeto compacto cuya naturaleza también ha generado controversia entre los especialistas. Según los autores, ambos candidatos encajarían mejor en la categoría de agujeros negros de baja masa que en la de estrellas de neutrones excepcionales. La implicación es profunda. Durante décadas, los astrónomos han intentado comprender dónde termina una categoría y comienza la otra. Ahora parece que esa frontera empieza a dibujarse con una claridad inédita.

Durante décadas, los astrónomos han intentado comprender dónde termina una categoría y comienza la otra. Ahora parece que esa frontera empieza a dibujarse con una claridad inédita.

Además, el trabajo proporciona una respuesta moderna a las ecuaciones TOV formuladas por Richard Tolman, J. Robert Oppenheimer y George Volkoff en 1939, consideradas la base matemática para describir la estructura de las estrellas de neutrones. Aunque todavía quedan incógnitas sobre la composición exacta de su interior, el margen de incertidumbre se reduce cada vez más.

Y quizá esa sea la verdadera lección de este descubrimiento. En los rincones más extremos del cosmos, donde la materia se comprime hasta límites inimaginables y el espacio-tiempo se curva bajo pesos colosales, seguimos encontrando respuestas. Cada nueva medición actúa como una pequeña grieta en el muro del desconocimiento. Detrás de ella emerge un universo que, lejos de simplificarse, continúa revelando formas cada vez más extraordinarias de existir.