Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

En lo profundo del corazón violento de una estrella en colapso, una explosión de supernova crea condiciones tan extremas que dan origen a partículas que nunca hemos visto en la Tierra. Entre estas partículas hipotéticas se encuentran las partículas de tipo axión, entidades diminutas y fantasmales que interactúan muy débilmente con la materia ordinaria. Si estas partículas existen, se producen en vastas cantidades dentro de la nueva estrella de neutrones, el remanente increíblemente denso dejado tras la explosión. Algunas de estas partículas son lo suficientemente rápidas como para escapar de la estrella y volar hacia el universo, pero otras son más lentas. Estas partículas más lentas no pueden escapar de la intensa atracción gravitatoria de la estrella de neutrones; en su lugar, quedan atrapadas, orbitando la estrella en una vasta e invisible nube. Durante décadas, los físicos se han preguntado si esta nube atrapada podría ser detectada. La idea era que, a medida que estas partículas finalmente decayeran, se convertirían en luz, calentando la superficie de la vieja y en fase de enfriamiento estrella de neutrones. Si pudiéramos medir este calor adicional, podríamos finalmente demostrar que estas partículas existen.

Sin embargo, un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto Nacional de Tecnología en Rourkela, India, ha cambiado fundamentalmente este panorama al demostrar que la propia estrella actúa como una aspiradora cósmica. Los investigadores se dieron cuenta de que los cálculos previos habían pasado por alto un detalle crítico: mientras las partículas atrapadas orbitan la estrella, sus trayectorias no son perfectamente circulares. Muchas de estas órbitas se sumergen profundamente en el interior de la estrella. Debido a que la estrella está compuesta de materia increíblemente densa, cualquier partícula que se sumerja en su interior es absorbida y destruida casi instantáneamente por el denso material nuclear. Los investigadores calcularon que, para que una partícula sobreviva durante cientos de millones de años, debe mantenerse en una órbita muy específica y amplia que nunca toque la superficie de la estrella. Este descubrimiento significa que la gran mayoría de las partículas atrapadas son aniquiladas mucho antes de que puedan decaer y calentar la estrella.

Para llegar a esta conclusión, el equipo construyó una simulación computacional detallada de cómo evoluciona una estrella de neutrones recién nacida durante sus primeros diez segundos de vida. Rastrearon las trayectorias de millones de estas partículas hipotéticas a medida que la estrella se contraía y se enfriaba. Descubrieron que la gravedad de la estrella tira de las órbitas de las partículas hacia adentro, provocando que muchas de ellas choquen contra la estrella. Una vez dentro, las partículas son absorbidas por la densa materia nuclear en cuestión de minutos o incluso segundos, un proceso mucho más rápido que el tiempo que tardan en decaer. Las únicas partículas que sobreviven son aquellas nacidas en las capas exteriores de la estrella con la velocidad y dirección adecuadas para mantenerse en una órbita segura y circular lejos de la superficie. Estos supervivientes son raros, y portan solo una pequeña fracción del calor que las teorías anteriores habían predicho.

Este hallazgo obliga a una revisión importante de los límites sobre cómo estas partículas interactúan con la luz. Estudios previos sugerían que, si estas partículas existieran, calentarían las estrellas de neutrones viejas a temperaturas que deberíamos detectar fácilmente. Debido a que el nuevo estudio muestra que la mayoría de las partículas son absorbidas, el efecto de calentamiento es mucho más débil de lo que se pensaba anteriormente. Por consiguiente, las reglas de lo que es posible han cambiado. Los investigadores encontraron que todavía existe una pequeña ventana de posibilidad donde estas partículas podrían sobrevivir y calentar una estrella, pero las condiciones son mucho más estrictas. Las partículas deben ser más pesadas e interactuar con la luz de una manera muy específica que cancele otros efectos naturales. Incluso con estas estrictas condiciones, el estudio muestra que la estrella de neutrones más antigua y fría conocida, PSR J2144−3933, descarta un rango específico de masas de partículas.

Los investigadores también exploraron cómo el tamaño de la estrella de neutrones final afecta el resultado. Encontraron que el radio de la estrella es un factor crucial; una estrella ligeramente más grande permite que más partículas sobrevivan porque sus órbitas pueden mantenerse más lejos de la superficie. Sus simulaciones mostraron que cambiar el radio de la estrella por solo unos pocos kilómetros podría alterar el número de partículas supervivientes por un factor de casi cuatro. Además, consideraron otras formas en que estas partículas podrían crearse, como mediante interacciones con piones, un tipo de partícula que existe dentro de la estrella. Estos procesos adicionales en realidad ayudan a que más partículas sobrevivan, ampliando el rango de posibles masas en las que podrían existir, pero el calentamiento general sigue siendo débil.

En última instancia, este trabajo no demuestra que estas partículas no existan, pero sí demuestra que son mucho más difíciles de encontrar de lo que esperábamos. La señal de "calentamiento" que los astrónomos estaban buscando es probablemente demasiado tenue para ser vista con los telescopios actuales porque la estrella absorbe las partículas antes de que puedan hacer su trabajo. El estudio sugiere que, si estas partículas están por ahí, se esconden en un rango muy estrecho de propiedades, y encontrarlas requerirá ya sea telescopios mucho más sensibles o un método de detección diferente. Los investigadores enfatizan que sus resultados dependen de los modelos específicos de cómo se comportan las estrellas de neutrones, y las observaciones futuras de estas estrellas podrían refinar aún más el panorama. Por ahora, la nube fantasmal de partículas alrededor de una estrella de neutrones no es un faro cálido y brillante, sino una colección dispersa de supervivientes que han logrado esquivar el hambre de la estrella.