¿Por qué las estrellas de neutrones tienen corteza sólida?

Question

Hace mucho tiempo leí que las estrellas de neutrones tienen una corteza sólida que es varias órdenes de magnitud más dura/fuerte que las aleaciones aquí en la Tierra. Entonces, ¿cómo es posible esto?

Una estrella de neutrones tiene una temperatura superficial de unos 50,000 °K, ¿cómo puede "solidificarse" algo a estas temperaturas?

Entiendo que un sólido es duro debido a los enlaces químicos y a veces a los cristales que se forman en el sólido, por lo que la única forma en que una estrella con 50,000 °K puede tener una corteza sólida es si la materia allí es sólida debido a otros medios, y eso es porque ni los enlaces químicos ni las moléculas pueden existir a estas temperaturas.

Entonces, ¿cómo puede la corteza de una estrella de neutrones (y la materia en general) solidificarse a estas altas temperaturas donde ni siquiera existen las moléculas y átomos neutros? ¿Y realmente puede esta materia sólida alcanzar resistencias varias órdenes de magnitud superiores a la resistencia de nuestras aleaciones?

Answer 1

La corteza de la estrella de neutrones está separada en regiones exteriores e interiores. El exterior es una corteza de núcleos ricos en neutrones rodeados por electrones degenerados. El interior es similar, pero los núcleos son aún más ricos en neutrones y también hay neutrones degenerados.

La respuesta (cualitativa) a tu pregunta considera la relación entre la energía electrostática (Coulomb) y la energía térmica de los iones en la corteza.

$$\frac{E_c}{E_{th}} \simeq \frac{Z^2 e^2}{4\pi r_0 \epsilon kT},$$ donde $T$ es la temperatura, $Z$ es el número atómico de los núcleos y $r_0$ es una separación característica entre los núcleos.

Esta relación aumenta con: la disminución de la temperatura, la disminución de la separación de los núcleos (es decir, el aumento de la densidad) y el aumento del número atómico. Cuando alcanza cierto valor crítico, el plasma "se congela" en una corteza, con los iones bloqueados en una retícula sólida. Este fenómeno ocurre también en los núcleos de las enanas blancas a temperaturas y densidades similares, y el proceso ha sido "observado" a través de la asterosismología.

Entonces, lo que está sucediendo aquí es que, aunque la corteza está caliente (en realidad, $10^{7}$ K no sería irrazonable), las densidades ($10^{11}-10^{15}$ kg/m$^3$) son lo suficientemente altas como para solidificar el plasma.

Por supuesto, esto no es toda la historia. A densidades muy altas, cuando los neutrones gotean de los núcleos, se deben considerar términos de energía superficial y, en última instancia, el fluido de neutrones "disuelve" la corteza a alrededor de $10^{16}$ kg/m$^3$, posiblemente a través de varias fases extrañas de "pasta nuclear", formando finalmente un fluido de neutrones, protones y electrones.