Sosteniendo estrellas de Neutrones y Enanas Blancas: ¿quién es el culpable?
Por
por Néstor Espinoza*
Las estrellas de Neutrones son, como lo dice su nombre, estrellas formadas casi puramente por neutrones con masas solares comprimidas en pequeños tamaños (~10-20 km.). Por otro lado, las enanas blancas son estrellas formadas casi puramente por electrones, con masas comparables a la solar, pero comprimidas en un tamaño como la Tierra. En otras palabras, son estrellas muy densas y bastante especiales. Como ya vimos en una columna anterior, las estrellas normales fusionan material generando energía para contrarrestar la fuerza de gravedad que debiese aplastar la estrella. Si, por otro lado, estas estrellas son formadas casi puramente por neutrones o por electrones: ¿por qué no colapsa toda la materia por gravedad hacia el centro? La respuesta está en una propiedad muy interesante de los electrones y los neutrones: el spin.
En Mecánica Cuántica, el spin (“giro”, en español) de una partícula es algo bastante distinto a lo que uno podría pensar inicialmente y de hecho, ahora que lo pienso, tengo que admitir que el nombre es bastante confuso. En defensa de los físicos (y aunque esta defensa sea un poco imparcial), debo decir que tienen razones históricas importantes para dejar el nombre como está. Inicialmente, se podría pensar que cuando uno se refiere, por ejemplo, al “spin del electrón” es lo mismo que referirse al “giro” del electrón, tal como uno se refiere al “giro” de una bailarina. Aún así, este concepto “clásico” es errado, pero fue inicialmente interpretado así por algunos físicos antes de que llegara la Mecánica Cuántica (estamos hablando del año 1926, más o menos). Dirac, un físico de la época, demostró tiempo más tarde que si se unía la Mecánica Cuántica con la Relatividad Especial propuesta por Einstein, el spin aparecía como una propiedad intrínseca de las partículas y la interpretación de éste terminaba siendo tan fundamental como preguntar qué es la masa (y gracias a esto los físicos pudieron respirar un poco más tranquilos).
Dirac también demostró un comportamiento un poco extraño, propuesto tiempo antes por Pauli, que sólo aplicaba en ciertas partículas “especiales” llamadas fermiones, cuya propiedad es poseer ciertos valores para su spin (propiedad cumplida por partículas como los protones, los neutrones y los electrones): el famoso “Principio de Exclusión” (de Pauli). Este principio es, como mencioné, extraño, así que me valdré de un ejemplo para explicarlo mejor. Imaginemos un grupo de personas que están trotando todas a la misma velocidad y propongamos lo siguiente: lo único que definirá de ahora en adelante a cada una de esas personas, es la velocidad que ellas tienen. Nos referiremos a esto como un “estado”. Así, todas las personas inicialmente están en el mismo estado (van a la misma velocidad). Ahora pongamos una regla “rara” para este grupo de personas: ninguna puede correr a la misma velocidad (es decir, no pueden existir dos personas en el mismo estado) …¿Pueden imaginar el caos que se forma aplicando esta nueva regla? Si por alguna razón una persona deja de trotar, necesariamente todas las demás deben seguir trotando para toda la eternidad a distintas velocidades, ¡por que no pueden caer en el mismo estado! Esto es exactamente lo que propone el Principio de Exclusión de Pauli: dos fermiones no pueden estar en el mismo estado. Lógicamente, este principio domina solamente si la materia está muy unida (digamos, como para que las personas en nuestro ejemplo puedan escuchar la regla que propusimos). Y justamente, ésta es la condición que se da en las estrellas de neutrones y enanas blancas: la materia está tan densificada, que este principio domina por sobre cualquier otra forma de energía que exista. Por tanto, debido a que dos fermiones (ya sean neutrones o electrones) no pueden estar en el mismo estado y dado el gran número de partículas en dichas estrellas, la cantidad de estados posibles (posiciones y velocidades) de dichas partículas es enorme: ¡las partículas en dichas estrellas alcanzan velocidades gigantescas!
Así, cuando les pregunten por estos maravillosos fenómenos de la naturaleza, pueden plantearlo de esta manera: sorprendentemente, son las mismas partículas las que no quieren colapsar en las estrellas de neutrones y enanas blancas. Ellas son las responsables de su propia prisión.
*Néstor Espinoza – Astrónomo (PUC), Candidato a Doctor en Astrofísica (PUC) e Investigador del Instituto Milenio de Astrofísica (MAS) – @nespinozap