El misterioso choque de las estrellas de neutrones: cuando el magnetismo reescribe las reglas del universo
Cuando dos estrellas de neutrones colisionan desatan fuerzas que desafían las leyes conocidas de la física. Ahora, el magnetismo emerge como un actor oculto capaz de cambiar todo lo que creíamos saber.
Por Enrique Coperías
Colisión de dos estrellas de neutrones: un violento encuentro que genera ondas gravitacionales y desata campos magnéticos millones de veces más potentes que cualquier otro en el universo. Imagen generada con DALL-E
Las estrellas de neutrones son verdaderos extremos de la física: remanentes ultradensos de estrellas masivas, donde una cucharadita de materia pesa tanto como el Monte Everest. Pero su historia no acaba ahí. Cuando dos de estas bestias cósmicas colisionan, desatan fenómenos tan violentos que deforman el propio tejido del espacio-tiempo, y lanzan ondas gravitacionales que hoy somos capaces de detectar.
Este tipo de ondas son pequeñas ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz. Son generadas por eventos cósmicos extremadamente energéticos, como la fusión de agujeros negros o de estrellas de neutrones, y transportan información sobre su origen y sobre la naturaleza misma de la gravedad.
Aunque fueron predichas por Albert Einstein en su teoría de la relatividad general, en 1916, no se logró detectarlas directamente hasta 2015, gracias a los instrumentos del observatorio LIGO. Su estudio abre una nueva ventana para observar el universo de formas que antes eran imposibles.
Cómo se comporta la materia a densidades ultraaltas
Las fusiones de estrellas de neutrones no son solo espectáculos cósmicos, sino auténticos laboratorios naturales para estudiar la materia en condiciones extremas que no podemos replicar en la Tierra.
Las frecuencias de las ondas gravitacionales emitidas durante y después de una fusión, especialmente una llamada frecuencia f₂, contienen pistas sobre la estructura interna de las estrellas de neutrones. En particular sobre su ecuación de estado, una compleja relación que describe cómo se comporta la materia a densidades ultraaltas.
Hasta ahora, los científicos pensaban que cambios detectados en la frecuencia f₂ podrían revelar fenómenos exóticos como es la aparición de materia de quarks o transiciones de fase en el interior de las estrellas. Sin embargo, una nueva investigación liderada por Antonios Tsokaros, de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, y publicada en la revista Physical Review Letters introduce un factor que hasta ahora había sido subestimado: el magnetismo.
El magnetismo, el gran actor oculto
Resulta que los campos magnéticos de las estrellas de neutrones, que durante una fusión pueden amplificarse hasta ser mil millones de veces más fuertes que cualquier campo creado en la Tierra, tienen un impacto crucial. Y no es un impacto menor: estos campos pueden modificar la frecuencia f₂ de forma significativa, imitando los mismos cambios que los científicos atribuían a transiciones de materia, como transiciones de fase, donde la materia pasaría de estar compuesta principalmente por neutrones —y protones— a una forma más exótica, como materia de quarks o a cambios en la estructura interna. En efecto, la presión y la densidad extremas dentro de la estrella pueden provocar que los núcleos atómicos se desintegren y formen un estado diferente de la materia.
«Nuestro trabajo intenta comprender de manera sistemática el efecto del campo magnético sobre las frecuencias de oscilación del remanente tras la fusión — ha declarado Tsokaros. Y añade—: Estudios anteriores han sido excesivamente optimistas al intentar identificar propiedades termodinámicas ignorando completamente los efectos magnéticos. Nosotros mostramos que esa omisión puede llevar a interpretaciones incorrectas."
Para llegar a esta conclusión, Tsokaros y su equipo realizó simulaciones numéricas usando magnetohidrodinámica relativista general (GRMHD), un modelo físico que combina relatividad general, campos magnéticos y dinámica de fluidos. Simularon fusiones entre estrellas de neutrones con dos diferentes ecuaciones de estado, dos masas distintas y tres configuraciones de campos magnéticos: campos similares a los de un púlsar, campos toroidales internos y campos poloidales internos.
Densidad de masa en reposo (paneles superiores) y velocidad angular (paneles inferiores) en el plano ecuatorial para un remanente sin campo magnético (columna izquierda) y uno magnetizado (columna derecha), 10 milisegundos después de la fusión. Las líneas blancas y negras representan contornos de densidad. Se observan dos diferencias principales: 1) el remanente magnetizado es más axisimétrico (con contornos ecuatoriales más circulares) que el no magnetizado, y 2) la velocidad angular en el núcleo del remanente es mayor y más uniforme en el caso magnetizado. Crédito: Tsokaros et al.
Unos resultados sorprendentes
Las simulaciones revelaron que la presencia de un fuerte campo magnético no solo cambia la estructura interna del remanente cósmico, sino que también aumenta la frecuencia de las ondas gravitacionales emitidas. En algunos casos, el desplazamiento en la frecuencia f₂ alcanzó hasta los 200 hercios, comparable al que se esperaría de una transición de fase en el interior de la estrella.
En palabras de Jamie Bamber, investigador postdoctoral en el equipo de Tsokaros, «la amplificación del campo magnético durante la fusión hace que el remanente oscile a frecuencias más altas». Y añade que «este aumento puede enmascarar cambios de frecuencia que tengan un origen completamente diferente, como una transición de materia. Así, interpretar las observaciones resulta mucho más complicado».
Y el problema no se queda ahí. Los científicos descubrieron que, con campos magnéticos intensos, la frecuencia f₂ no solo sube de forma inmediata tras la fusión, sino que sigue aumentando progresivamente conforme el remanente pierde momento angular y se vuelve más compacto.
¿Qué significa esto para el futuro de la astrofísica?
«Para hacer una evaluación precisa de la fase posfusión en fusiones de estrellas de neutrones, hay que incluir necesariamente los efectos del campo magnético —subraya el profesor Milton Ruiz, también coautor del estudio. Y continúa—: Si no se hace, corremos el riesgo de llegar a conclusiones erróneas sobre las propiedades físicas del sistema."
Esta advertencia es crucial para el análisis de futuras detecciones de ondas gravitacionales. De hecho, como recordó Stuart L. Shapiro, otro de los autores, la detección conjunta en 2017 de ondas gravitacionales por el observatorio LIGO y de un estallido de rayos gamma por satélites de NASA marcó el nacimiento de la astronomía multimensajero.
Aquella observación, conocida como evento GW170817, confirmó que las fusiones de estrellas de neutrones son fuentes de ondas gravitacionales y de otros fenómenos luminosos extremos.
Sin embargo, como advierte Shapiro, muchas de las características finas de estos eventos, especialmente las frecuencias más altas asociadas a la fase de fusión y post-fusión, aún no han sido detectadas debido a limitaciones en la sensibilidad de los instrumentos actuales. Será la próxima generación de observatorios, como el Einstein Telescope y el Cosmic Explorer, quienes permitan medir directamente la frecuencia f₂ y sus evoluciones, abriendo la puerta a análisis mucho más precisos.
La complejidad crece
El panorama que emerge de este estudio es mucho más complejo que el que manejaban los científicos hasta hace poco. Además del magnetismo, otros factores también alteran la frecuencia f₂. Es el caso de la temperatura del remanente, la rigidez de la ecuación de estado, la viscosidad interna, la rotación previa de las estrellas y hasta efectos de gravedad modificada en teorías alternativas a la relatividad general.
Cada uno de estos efectos puede producir desplazamientos en la frecuencia del mismo orden de magnitud, entre 100 y 600 hercios. Esto crea una degeneración en las interpretaciones: cambios que antes se atribuían a un fenómeno concreto podrían tener múltiples explicaciones posibles.
Por eso, Tsokaros y su equipo sostienen que no basta con identificar un cambio en la frecuencia f₂. Será necesario un análisis combinado, empleando simulaciones mucho más detalladas y métodos estadísticos robustos —como análisis bayesianos— que permitan desentrañar las verdaderas causas detrás de las observaciones.
Además, se deberán considerar variaciones más sutiles, como de qué modo cambia la frecuencia con el tiempo, qué patrones siguen esas variaciones y cómo interactúan múltiples efectos simultáneamente. Solo así podremos realmente extraer información fiable sobre la materia en condiciones extremas.
Ilustración de la fusión de dos agujeros negros y las ondas gravitacionales que generan al girar uno alrededor del otro. Detectados por LIGO en 2015, los agujeros tenían 14 y 8 veces la masa del Sol, formando tras la fusión un único agujero negro de 21 masas solares. Crédito: LIGO / T. Pyle
El futuro de la exploración gravitacional
Los investigadores planean ahora extender sus simulaciones, aumentando aún más la resolución para capturar detalles todavía más finos que en este primer trabajo. Gracias a los avances en supercomputación, será posible abordar cálculos que hasta hace poco eran inabordables.
Con nuevos datos y modelos más sofisticados, la esperanza está en que en los próximos años podamos finalmente resolver algunos de los grandes misterios sobre las estrellas de neutrones: ¿existe materia de quarks en su interior? ¿Cómo cambia la materia cuando se somete a presiones y temperaturas extremas? ¿Hasta qué punto influye el magnetismo en la vida y muerte de estos astros?
«Identificar correctamente las frecuencias de oscilación de las estrellas de neutrones permitirá comprender muchas propiedades aún desconocidas de estos objetos extraordinarios», resume Tsokaros. Y aunque ahora sabemos que el camino es más intrincado, también sabemos que tenemos las herramientas para recorrerlo.
La astronomía multimensajero, apoyada en la detección de ondas gravitacionales, apenas está dando sus primeros pasos. Lo que queda por descubrir promete ser tan fascinante como desafiante: un viaje hacia lo más profundo del universo y de la materia misma. ▪️
Fuente: Tsokaros, Antonios and Bamber, Jamie and Ruiz, Milton and Shapiro, Stuart L. Masking the Equation-of-State Effects in Binary Neutron Star Mergers. Physical Review Letters (2025). DOI: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.12140
