El misterio de las Estrellas Enanas Blancas: cuanto más grandes, más pequeñas

Así es, las estrellas Enanas Blancas presentan cualidades muy curiosas y aparentemente, contradictorias: Cuanta más masa adquieren, más empequeñecen. Una serie de fenómenos físicos, algunos rayando la física relativista, provocan curiosas particularidades en este tipo de astros. Parte de sus cualidades debe medirse o deducirse utilizando la física de lo más pequeño: la física cuántica.

Las Enanas Blancas son un caso muy particular, que a veces presentan contrariedades muy curiosas. En realidad se trata de estrellas más o menos normales, de una masa inferior a 10 soles, cuyo Hidrógeno ha terminado de consumirse. Al haber desaparecido el combustible, la presión de las reacciones nucleares disminuye de tal manera, que la estrella se ve incapaz de soportar un colapso gravitatorio, es decir, su propio peso termina por aplastarlas. Cuando esto sucede, la estrella se comprime sobre sí misma, reduciendo bruscamente su volumen y por tanto, aumentando su densidad (Presión de Fermi).

 

LA PRESIÓN DE FERMI

Es un interesante fenómeno que se produce en determinado tipo de materia. La materia más común está formada fundamentalmente por "fermiones", es decir, un tipo de partículas que comprenden quarks, y su derivados (protones, neutrones, etc...), y electrones entre otros. En ocasiones especiales, dicha materia se degenera, haciendo que sus componentes dejen de unirse entre sí, como si se tratara de un tipo de gas (por ejemplo, un gas formado exclusivamente de electrones).

 

Teóricamente, este tipo especial de gas tiene una determinada presión interna, como resultado de las interacciones entre sus partículas. Cuando la temperatura de un gas disminuye, su presión también lo hace en una proporción equivalente, de forma que por lo general, si consiguiéramos bajar la temperatura de un gas hasta el cero absoluto (ausencia completa de calor), su presión interna también sería cero. Sin embargo, incluso a temperaturas de cero absoluto, un gas de Fermi presentaría una presión interna mayor que cero. Esto es posible gracias a que los electrones de la materia no puede "juntarse" entre sí por debajo de una determinada distancia. De hecho, en el mismo orbital de un átomo no caben más de dos electrones (no pueden estar en el mismo estado cuántico). Este límite máximo de electrones que se encuentren en un mismo estado cuántico lo marca el Principio de exclusión de Pauli.

 

Cuando una Enana Blanca aumenta su presión interna hasta límites tan altos, los electrones se acercan tanto entre sí que colapsan hasta un límite máximo que marca el Principio de Exclusión de Pauli, alcanzando lo que se conoce como "estrella degenerada de electrones", o lo que es lo mismo, una Enana Blanca. Un sistema de electrones ha alcanzado un estado "degenerado", cuando los electrones que componen la estrella se aproximan entre sí a menor distancia que la longitud de onda de De Broglie, calculable con la expresión:

Donde "λ" es la Long. de Onda de De Broglie, "me" es la masa del electrón y "T" es la temperatura del fluído (la estrella)

 

Con frecuencia, las enanas blancas rozan el límite del comportamiento relativista. Curiosamente, cuanta más masa posea una estrella de este tipo, más se reduce su tamaño, como puede comprobarse en la fórmula que relaciona la Masa de la estrella con su radio:

Es decir, que si la masa de la estrella aumenta, su volumen decrece. Superado el límite de la máxima presión en el corazón de las enanas blancas, los electrones alcanzan tal nivel energético, que su velocidad se equipara al de la velocidad de la luz, momento en el que aparece una estrella Enana Blanca Relativista.

 

En dichas estrellas, y después de relacionar debidamente sus parámetros, se comprueba que para calcular la masa no resulta necesario conocer el volumen (el radio de la estrella), lo que concluye que la masa de una estrella enana blanca relativista, no depende de su tamaño y, por tanto, es una constante.

 

Si, si: así como suena. LA MASA DE UNA ENANA BLANCA RELATIVISTA ES UNA CONSTANTE UNIVERSAL. No importa su tamaño... no importa su composición... no importan su presión interna ni su luminosidad: LA MASA ES SIEMPRE LA MISMA

 

Concretamente, equivale a 0.23 veces la masa del Sol (masa de Chandrasekhar). Si acrecentamos la materia de este tipo de estrellas, ya dejan de ser "enanas blancas relativistas", transformándose en estrellas de neutrones (cuando los electrones y los protones se unan para formar neutrones) o desprendiéndose de la materia sobrante, eyectándola al espacio.

 

De una forma un tanto lúdica, podríamos decir que si lanzáramos un martillo contra una Enana Blanca Relativista, podrían pasar dos cosas:

 

1- El martillo podría rebotar

2- La estrella podría apagarse por completo en sólo unos segundos

 

En cualquier caso, la estrella no puede "tragarse" el martillo.

 

Jon Álvarez. Canal de Ciencias

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Comentarios: 6
  • #1

    MARIAN (viernes, 25 octubre 2013 15:08)

    increible. esto es alucinante

  • #2

    Luis (miércoles, 13 septiembre 2017 07:34)

    Gedanken: Que efectos se producirían sobre la superficie terrestre si depositamos "un trozo hiperdenso" de estrella de neutrones, supongamos una dimensión de 100 x 100 x 100 mts. ¿Se hundiría hasta el núcleo terrestre? ¿atraería hacia sí la materia circundante? ¿afectaría el escudo magnético terrestre?. Gracias desde ya.

  • #3

    canal de ciencias (miércoles, 13 septiembre 2017 17:59)

    se hundiría hacia el centro del planeta, y éste se desplazaría ligeramente de su trayectoria en dirección hacia el cubo de neutrones a medida que éste se hunde. Se puede calcular su masa gravitatoria sabiendo que ese cubo tiene 1 millón de m3 y la densidad es de unos 4x10(elevado a 17) veces la del sol. Con esa densidad y ese volumen, el cubo tendría una masa de 6x10(a la 11) kg, en tanto que la tierra tiene una masa de 6x10(a la 24), o sea, 10 billones de veces mayor que el cubo. El cubo quedaría atrapado en el núcleo del planeta. Es posible que el núcleo se detuviera o se frenara algo debido al colapso de la materia metálica circundante, con lo que el campo magnético podría verse afectado y como consecuencia, su campo magnético podría alterarse significativamente

  • #4

    Luis (miércoles, 13 septiembre 2017 19:31)

    Como siempre, maravillosa respuesta. ¿Y cuanta menos masa debiese tener para no "hundirse"? o sea ¿cuál es el límite que puede soportar la corteza terrestre?

  • #5

    canal de ciencias (miércoles, 13 septiembre 2017 23:35)

    para saber si un objeto puede hundirse en la tierra, hace falta conocer 3 factores: masa del objeto, superficie del mismo y resistencia del suelo. En la arena, un objeto de apenas 100 kg que se apoye en 1 cm2, se hundiría con toda seguridad (por ejemplo un hombre apoyado sobre una lanza)...pero sobre un suelo de granito, tal vez harían falta varios miles de kg. Es difícil decirlo sin conocer cada caso en particular, pero un cubo de esa masa de neutrones, ejercería una presión insoportable para cualquier material presente en la tierra. Es el mismo problema de la flotabilidad de los barcos, solo que sobre materiales sólidos

  • #6

    Luis (jueves, 14 septiembre 2017 13:00)

    Ahá. Supongamos que su orígen hubiese sido espacial, un asteroide de unos 100m3 que entró en la atmósfera de la tierra a la menor velocidad posible, impactando sobre terreno mixto promedio (tierra y rocas), quizás en algún valle. Gracias.