Una nueva simulación creada con una supercomputadora de la NASA ha demostrado cómo las cosas se complican al fusionar estrellas de neutrones incluso antes de que choquen; sus magnetosferas, los campos magnéticos más poderosos del universo conocido, se entrelazan y generan caos.
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“Justo antes de que las estrellas de neutrones choquen, las regiones altamente magnetizadas y llenas de plasma que las rodean, llamadas magnetosferas, comienzan a interactuar fuertemente”, dijo en un comunicado el líder del equipo Dimitrios Skiathas, investigador del Centro de Vuelo Goddard de la NASA. “Estudiamos las últimas órbitas antes de la fusión, cuando los campos magnéticos entrelazados sufren cambios rápidos y dramáticos, y modelamos señales de alta energía potencialmente observables”.
¿Qué hace que las estrellas de neutrones sean tan extremas?
Cuando las estrellas con aproximadamente la misma masa que el Sol se quedan sin hidrógeno, el combustible necesario para la fusión nuclear en sus núcleos, sus núcleos colapsan y sus capas externas se hinchan y finalmente se pierden. Esto lleva a que las estrellas acaben con sus vidas como brasas estelares humeantes llamadas enanas blancas.
Sin embargo, la situación es diferente para estrellas con alrededor de 10 veces la masa del Sol y más. Cuando sus núcleos empobrecidos en hidrógeno colapsan, la masa adicional genera la presión y las temperaturas necesarias para permitir que el helio, creado en estos núcleos durante millones de años de fusión de hidrógeno, se fusione, formando elementos aún más pesados.
Este proceso repetido de agotamiento del combustible, colapso y reencendido continúa hasta que el corazón de la estrella masiva se llena de hierro. Cuando ocurre este colapso final, ondas de choque se propagan hacia las capas exteriores de la estrella, que son arrastradas por una explosión de supernova, llevándose consigo la gran mayoría de la masa de la estrella.
El resultado es un remanente estelar con una masa entre una y dos veces la masa del Sol, lleno de materia rica en neutrones apiñada en un ancho de alrededor de 12 millas (20 kilómetros). La rápida destrucción de este núcleo estelar no sólo crea un cuerpo de increíble densidad, sino que también crea campos magnéticos que pueden ser mil billones de veces más fuertes que la magnetosfera de la Tierra.
Las estrellas masivas a menudo se encuentran en pares binarios con una compañera estelar y, en estos casos, cuando ambas estrellas mueren, el resultado es una estrella binaria de neutrones. A medida que las dos estrellas muertas giran una alrededor de la otra, generan ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales, que se llevan el momento angular. Esto da como resultado el endurecimiento binario de la estrella de neutrones. En otras palabras, los restos estelares se acercan, lo que hace que emitan ondas gravitacionales de frecuencias más altas, perdiendo momento angular más rápidamente y acercándose aún más rápido.
Esto termina cuando las estrellas de neutrones están lo suficientemente cerca entre sí como para que su gravedad se haga cargo, lo que lleva a una inevitable colisión y fusión. Esto provoca una explosión de radiación de alta energía llamada explosión de rayos gamma (GRB), un chirrido final de ondas gravitacionales, y envía una pulverización de materia rica en neutrones, lo que permite que se produzca un proceso que genera elementos muy pesados pero inestables. Estos eventualmente se descomponen para crear oro, plata y otros metales más pesados que el hierro. La desintegración también crea un brillo que los astrónomos llaman kilonova.
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El hecho de que estos eventos sean responsables de la creación de algunos de nuestros elementos más preciados e importantes, así como de fenómenos cósmicos brillantes como los GRB y las kilonovas, significa que ha habido una fuerte tendencia hacia el estudio de los efectos secundarios de las fusiones de estrellas de neutrones.
Skiathas y sus colegas adoptaron un enfoque diferente y observaron con mayor profundidad lo que sucede antes del encuentro de las estrellas de neutrones.
Magnetismo desordenado
Para considerar los 7,7 milisegundos previos a la fusión de las estrellas de neutrones, el equipo recurrió a la supercomputadora Pléyades de la NASA en el Centro de Investigación Ames de la NASA, creando más de 100 simulaciones de un sistema de dos estrellas de neutrones, cada una con alrededor de 1,4 veces la masa del sol.
“En nuestras simulaciones, la magnetosfera se comporta como un circuito magnético que se reconecta continuamente a medida que las estrellas orbitan. Las líneas de campo se conectan, rompen y reconectan mientras las corrientes surgen a través del plasma que se mueve casi a la velocidad de la luz, y los campos que varían rápidamente pueden acelerar las partículas”, dijo en el comunicado el miembro del equipo Constantinos Kalapotharakos de NASA Goddard. “¡Seguir esa evolución no lineal a alta resolución es exactamente la razón por la que necesitamos una supercomputadora!”
El objetivo principal del equipo era investigar cómo los campos magnéticos de estos restos estelares impactaban en la luz, o en términos técnicos, en la radiación electromagnética, durante las órbitas finales de las estrellas de neutrones entre sí.
“Nuestro trabajo muestra que la luz emitida por estos sistemas varía mucho en brillo y no se distribuye uniformemente, por lo que la perspectiva de un observador lejano sobre la fusión es muy importante”, añadió en el comunicado Zorawar Wadiasingh, miembro del equipo de la Universidad de Maryland, College Park y NASA Goddard. “Las señales también se vuelven mucho más fuertes a medida que las estrellas se acercan cada vez más, de una manera que depende de las orientaciones magnéticas relativas de las estrellas de neutrones”.
Las simulaciones revelaron que los respectivos campos magnéticos de las estrellas de neutrones se extendían detrás de ellas mientras orbitaban entre sí, conectando los restos estelares, luego rompiéndose y luego reconectándose una vez más.
Los investigadores también pudieron utilizar las Pléyades para simular cómo las fuerzas electromagnéticas impactaban las superficies de las estrellas de neutrones. El objetivo era determinar cómo se acumula la tensión magnética en tales sistemas, pero se necesitarán modelos futuros para determinar cómo la interacción magnética juega un papel en los momentos finales de una fusión de estrellas de neutrones.
“Tal comportamiento podría quedar impreso en señales de ondas gravitacionales que serían detectables en instalaciones de próxima generación”, dijo en el comunicado Demóstenes Kazanas, miembro del equipo e investigador de Goddard de la NASA. “Uno de los valores de estudios como este es ayudarnos a descubrir qué futuros observatorios podrían ver y deberían buscar tanto en ondas gravitacionales como en luz”.
Los investigadores pudieron utilizar los campos magnéticos simulados para identificar los puntos donde se crearon las emisiones de mayor energía y cómo estas emisiones se propagarían a través del entorno de la fusión de estrellas de neutrones.
Los investigadores descubrieron que las regiones alrededor de las fusiones de estrellas de neutrones producen rayos gamma con alta energía, pero esta radiación no podía escapar. Esto se debió a que los fotones de rayos gamma, partículas individuales de luz, se transformaron rápidamente en pares de electrones y positrones. Sin embargo, los rayos gamma de menor energía pudieron escapar de la fusión de estrellas de neutrones junto con la radiación de energía aún más baja, como los rayos X.
Esto significa que los futuros telescopios espaciales de rayos gamma, particularmente aquellos con amplios campos de visión, podrían usarse para detectar señales de estrellas de neutrones a punto de fusionarse. Otra forma de estudiar estos sistemas antes de una futura fusión es mediante la detección de ondas gravitacionales.
El proyecto de Antena Espacial con Interferómetro Láser (LISA) de la NASA y la Agencia Espacial Europea podría ser particularmente útil a este respecto. LISA, que se lanzará a mediados de la década de 2030, será el primer detector de ondas gravitacionales espacial y se beneficiará de una sensibilidad mucho mayor que la generación actual de detectores terrestres, incluido el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO). Los resultados del equipo se publicaron el 20 de noviembre de 2025 en The Astrophysical Journal.