Jocelyn Bell va descobrir els púlsars (part 2)

Fa uns mesos us vam presentar la Jocelyn Bell, descobridora dels púlsars. En aquest article aprofundirem en què són els púlsars, com es formen i per què tenen aquest comportament d’emetre flaixos de llum.

Què són els púlsars?

Un púlsar és una estrella que emet llum a intervals periòdics molt ràpids i precisos. Una mica com un far. En aquesta animació es pot veure la representació d’un púlsar girant i una gràfica de la intensitat de la llum que ens arriba.

Crèdit Michael Kramer, Universitat de Manchester

Per què una estrella es comporta així?

Avui en dia es considera un púlsar com un estat natural en l’evolució d’alguns tipus d’estrelles, que en un cert moment exploten com una supernova i deixen un residu en forma d’estrella de neutrons. Les estrelles de neutrons giren molt ràpidament i no emeten radiació de manera uniforme sinó focalitzada en dos feixos oposats. Si aquests feixos estan orientats cap a nosaltres veiem el púlsar. Si no, no el detectarem. Igual que un far.

La nebulosa del cranc és una resta de supernova. En el centre hi ha un púlsar. Crèdit: NASA – HST

Per què una estrella explota?

Les estrelles estan compostes majoritàriament d’hidrogen, brillen perquè cremen aquest hidrogen de manera estable. Poden estar així milers de milions d’anys, però quan s’acaba l’hidrogen passen coses. Quina cosa exactament depèn de la massa de l’estrella. En els casos en què la massa és més alta s’acaba produint una explosió que expulsa material cap a fora a gran velocitat i deixa al mig un residu col·lapsat de característiques molt diferents a l’estrella que era abans.

I concretament com s’arriba a una estrella de neutrons?

Es creu que les estrelles que tenen entre 10 i 30 vegades la massa del Sol (supergegants) tenen la següent evolució:

Quan s’acaba l’hidrogen no passa res catastròfic. El producte de la fusió de l’hidrogen és l’heli, i la gran quantitat que en queda fa que comencin les reaccions de fusió de l’heli de manera estable. Igualment quan s’acaba l’heli tampoc passa res especial, en el seu nucli poden seguir cremant successivament elements més pesants: carboni, oxigen, silici, i finalment ferro. Les característiques de l’àtom de ferro fan que no es pugui alliberar energia en la fusió, de manera que quan ja només queda ferro es produeix l’explosió de la supernova i el col·lapse del nucli.

La seqüència d’elements que fusionen fins a arribar al ferro, l’àtom més estable. Font: Wikimedia Commons

Què li passa al nucli de l’estrella quan col·lapsa?

La matèria del nucli es comprimeix de tal manera que els àtoms deixen de poder-se mantenir sencers, i es trenquen. Els protons i els electrons es combinen en neutrons, i això és tot el que queda. La matèria en aquest estat té una densitat enorme, difícil d’imaginar. Una cullerada d’estrella de neutrons pesaria 10 milions de tones. Les estrelles de neutrons tenen per tant una mida molt petita, d’unes desenes de kilòmetres només.

Per què giren tan de pressa?

Per la mateixa llei física que fa que una patinadora giri més ràpid si arronsa els braços: la conservació del moment angular. L’estrella original donava voltes a una velocitat diguem-ne normal. El moment angular es conserva fins i tot després d’una explosió catastròfica com la que produeix el col·lapse del nucli de ferro. Una estrella més gran que el Sol es transforma en una bola super-densa de 20 km, per això gira a tanta velocitat. S’han detectat púlsars que giren moltes vegades en un segon.

Per què emeten la llum en dos feixos i no uniformement?

En una estrella de neutrons ja no s’està cremant res. No la veuríem si no fos per altres fenòmens físics més complexos. En girar tan ràpidament, el camp magnètic d’una estrella de neutrons és molt intens, i accelera les partícules a una velocitat enorme al mateix temps que tracen una corba segons les línies del camp magnètic, cosa que fa que emetin fotons (radiació de sincrotró) només en un con al voltant de cada pol magnètic. Si l’eix magnètic no coincideix amb el de rotació, aquest con de llum gira com una baldufa, i és el far que veiem com a púlsar.

Diagrama d’un púlsar on es veu: el camp magnètic, el seu eix de rotació, i la perspectiva amb què el feix de llum arriba a la Terra. Crèdit: Lumen Learning

Si els neutrons no tenien càrrega elèctrica, com poden ser afectats pel camp magnètic?

Els neutrons no són afectats pel camp magnètic. Però en una estrella de neutrons no tot són neutrons. Pot quedar un petit percentatge encara de protons i electrons, que són els que es veuen afectats i els que emeten els fotons que veiem en forma de radiació ràdio o llum visible. Si hi ha estrelles de neutrons sense aquest romanent d’altres partícules, en aquest cas no veuríem res.

Conclusió

Hem vist com es forma un púlsar i quins són els processos físics que originen la seva particular forma de brillar. La Jocelyn Bell, amb el seu descobriment, va encetar una branca apassionant de l’astrofísica. A l’Agrupació d’Astronomia d’Alella volem seguir escrivint sobre dones que han deixat empremta en el coneixement de l’Univers. Si en voleu proposar alguna, o si us queden dubtes sobre aquest article, ens podeu contactar a través d’aquest formulari.