¿De qué átomo está hecha una estrella de neutrones?

Comprendí que todo estaba hecho de átomos .

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma está compuesto de átomos neutros o ionizados.

Sin embargo con las estrellas de neutrones ;

Los modelos básicos para estos objetos implican que las estrellas de neutrones están compuestas casi por completo de neutrones, que son partículas subatómicas.

¿Significa esto que pueden existir neutrones fuera de un átomo y que una estrella de neutrones no está compuesta de un elemento que sea reconocible en la tabla periódica?

Sí, los neutrones pueden existir fuera del átomo (o núcleo). En el espacio libre, un neutrón se desintegrará beta en un protón y un electrón y un antineutrino en una escala de tiempo de 10 minutos. Sin embargo, en los densos interiores de una estrella de neutrones, los electrones forman un gas degenerado, con todos los niveles de energía posibles llenos de algo llamado energía de Fermi .

Una vez que la energía Fermi de los electrones excede la energía máxima de cualquier posible electrón de desintegración beta, entonces la desintegración beta se bloquea y los neutrones libres se estabilizan. Esto es lo que sucede dentro de una estrella de neutrones y terminas con neutrones en su mayoría con una pequeña fracción, tal vez un pequeño porcentaje de electrones y protones.

En las partes externas de la estrella de neutrones, los protones y los neutrones aún pueden organizarse en núcleos (pero no en átomos), pero estos núcleos son extremadamente ricos en neutrones (normalmente no existirían en la naturaleza) y solo se estabilizan contra la desintegración beta por El proceso que describí anteriormente. La envoltura muy externa puede consistir en núcleos de elementos de pico de hierro completamente ionizados y puede haber una capa ultradelgada (pocos cm) de hidrógeno, helio y carbono ionizados reconocibles (por ejemplo, Wynn y Heinke 2009 ).

Una vez que la densidad alcanza aproximadamente kg / m se vuelve más favorable que los neutrones y protones se organicen en "macro-núcleos": largas cadenas y láminas de material nuclear, conocidas coloquialmente como pasta nuclear .$3 \times 10^{16}$$^3$

Aún a densidades más altas, la pasta se disuelve en una sopa de neutrones en su mayoría con aproximadamente 1 por ciento de protones y electrones.

El siguiente diagrama (de Watanabe et al. 2012 ) muestra aproximadamente cómo se organizan estas capas. Cabe destacar que esto se basa en modelos teóricos, con la teoría cada vez menos segura a medida que avanza en la estrella de neutrones. Probar estas ideas implica experimentos nucleares y de partículas, observaciones de púlsares, de enfriamiento de estrellas de neutrones, de explosiones de rayos X, estimaciones de masa y radio en sistemas binarios, fallas de púlsar, etc., etc. Ninguno de los detallesse han confirmado observacionalmente más allá de toda disputa, pero la imagen básica a continuación se ajusta a lo que sabemos. En particular, la corteza y las regiones fluidas n, p, e se entienden bien en teoría. Los detalles de las fases de la pasta nuclear siguen siendo objeto de mucho trabajo teórico, al igual que los detalles de la superfluidez en el interior y lo que sucede en las regiones muy centrales (núcleo de neutrones sólidos, fases hadrónicas adicionales, condensación de bosones, materia de quarks). ) todavía es teóricamente difícil y no ha sido probado observacionalmente, excepto quizás para decir que las ecuaciones de estado más suaves han sido descartadas por la existencia de estrellas de neutrones .$2M_{\odot}$

Una respuesta más histórica / lingüística que física:

Demócrito propuso que la materia no se podía dividir infinitamente, pero que en algún momento se alcanzaría una pieza lo más pequeña posible, a la que llamó atomos , por "sin cortar". Tenía toda la razón hasta donde sabemos.

Antes de 1930 más o menos, los humanos modernos aplicamos por error su palabra "átomo" a lo que entonces vimos como la pieza más pequeña de un elemento químico que mantenía sus propiedades, porque nadie había subdividido uno, y los procesos químicos se comportaron como si fueran pequeños. Partículas indivisibles.

Después de que se dividió ese tipo de "átomo", nos quedamos atrapados con la palabra. Lo que Demócrito llamó "átomo" hoy lo llamaríamos "quark o lepton", cosas que consideramos fundamentales y no divisibles. Pero también podríamos estar equivocados allí, si los futuros físicos dividen estas cosas.

Todas las cosas ordinarias en nuestras vidas: usted, yo, la Tierra, su casa, su comida, etc., estamos hechos de "átomos" en el sentido de 1920, interactuando química, eléctricamente y gravitacionalmente. Incluso el Sol está hecho de átomos, aunque en ese caso no son muy divisibles porque se fusionan y cambian a diferentes tipos.

Ciertas cosas raras y exóticas en el universo no están hechas de átomos en el sentido de 1920, como las estrellas de neutrones. Aunque están hechos de pequeños quarks y leptones indivisibles; átomos en el sentido de Demócrito.