Los científicos han descubierto que cuando las estrellas de neutrones chocan, dejan atrás un remanente que no se parece a ninguna de ellas.
Estrellas de neutrones son las estrellas más extremas del universo, que nacen cuando estrellas masivas mueren y explotan. Estas estrellas están llenas de material tan denso que si una cucharadita de él llegara a la Tierra, pesaría 10 millones de toneladas, por lo que no es de extrañar que, cuando Las estrellas de neutrones chocanconduce a un acontecimiento de poder y violencia sin igual.
Esta colisión y fusión crea el único entorno en el cosmos lo suficientemente turbulento como para forjar elementos más pesados que el plomo (como el oro, la plata y el plutonio). Dichos elementos ni siquiera pueden crearse en hornos nucleares en el corazón de las estrellas más masivas. Pero los restos de las colisiones de estrellas de neutrones esconden algo más: un remanente que los científicos creen que debería colapsar rápidamente para dar origen a un agujero negro completamente nuevo. Queda una pregunta: ¿cuánto tiempo durará esta hija? estrella de neutrones ultramasiva tener antes de que se convierta en un ¿agujero negro?
“No sabemos cómo se comporta la materia en condiciones de densidad y temperatura extremas, porque esas condiciones no se dan en la Tierra”, dijo a Space.com David Radice, profesor adjunto de física y astronomía en la Universidad Estatal de Pensilvania. “Las fusiones de estrellas de neutrones son los supercolisionadores de la naturaleza y, al igual que en el caso de los colisionadores de partículas, podemos aprender mucho estudiando el resultado de las colisiones”.
En busca de respuestas, Radice dirigió un equipo de investigadores que recurrió a las supercomputadoras del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del Departamento de Energía de EE. UU., el Centro de Supercomputación Leibniz en Alemania y el Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos de la Universidad Estatal de Pensilvania.
“La colisión de dos estrellas de neutrones puede tener dos resultados inmediatos. Se podría formar un agujero negro o una estrella de neutrones remanente muy masiva y posiblemente de corta duración”, dijo Radice. “Nuestro trabajo se centra en el segundo escenario. En particular, realizamos las primeras simulaciones que capturaron cómo se enfriarían dichos remanentes mediante la emisión de neutrinos”.
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El equipo simuló las consecuencias de una colisión de estrellas de neutrones y el interior del remanente de la estrella de neutrones. Luego, los científicos observaron cómo unas diminutas “partículas fantasma” casi sin masa, llamadas “neutrinos”, se llevaban el calor de esta escena de choque cósmico.
Un laboratorio cósmico como ningún otro
Las estrellas esencialmente facilitan “tira y afloja cósmico“dentro de sí mismas, que duran millones o miles de millones de años. Los dos competidores en esta contienda son el empuje de energía hacia afuera, o “presión de radiación”, generada en el horno nuclear en el corazón de una estrella y la fuerza interna de la propia gravedad de la estrella.
Es una batalla épica, pero siempre hay un solo ganador, y ese es la gravedad. Cuando una estrella masiva ha forjado hierro en su núcleo, como se mencionó anteriormente, no puede fusionarlo con elementos más pesados, terminando así la oleada de presión de radiación hacia el exterior. Como un atleta que celebra rociando a su entrenador con Gatorade, la gravedad marca su victoria aplastando el núcleo de la estrella. Esto provoca ondas de choque que recorren las capas externas de la estrella, haciéndolas estallar en una explosión masiva. explosión de supernova.
Como resultado, la estrella pierde la mayor parte de su masa, pero hay dos formas de que este cadáver estelar desaparezca. Las estrellas más masivas, con masas 12 veces mayores que la del Sol, crean inmediatamente agujeros negros de masa estelar. Pero las estrellas con entre ocho y doce veces la masa del Sol dan origen a estrellas de neutrones, un remanente estelar con una masa entre una y dos veces la del Sol aplastado hasta formar un cuerpo rico en neutrones de no más de 20 kilómetros de ancho.
Aproximadamente el 75% de las estrellas masivas pasan su vida en un asociación binaria con otra estrella. A menudo, cuando una estrella (normalmente la más masiva, que quema su combustible más rápido) se transforma en una estrella de neutrones, la supernova resultante “expulsa” o destruye a su compañera estelar.
Pero, en algunos casos, el sistema binario puede sobrevivir a esta transformación y la otra estrella masiva acaba convirtiéndose también en una estrella de neutrones. Eso da lugar a un sistema binario de estrellas de neutrones, pero la historia no termina allí.
A medida que estas estrellas de neutrones giran una alrededor de la otra, son tan masivas y densas que crean ondas en el tejido mismo del espacio y el tiempo (unidos como una única entidad de cuatro dimensiones llamada “espacio-tiempo”) conocidas como ondas gravitacionales. A medida que las ondas gravitacionales se propagan desde el sistema binario, llevan consigo un momento angular. Esto hace que las dos estrellas de neutrones se acerquen, emitiendo así ondas gravitacionales de alta frecuencia a un ritmo cada vez más rápido. Esto continúa hasta que las estrellas finalmente chocan y se fusionan. Tal fusión envía un “grito” final y agudo de ondas gravitacionales y chorros de materia rica en neutrones libres.
Estos neutrones, que normalmente se encuentran ligados en núcleos atómicos con protonesquedan atrapados por otros elementos alrededor del lugar de la fusión, un fenómeno llamado “proceso de captura rápida” o “proceso r”. Estos átomos se convierten en elementos ultrapesados altamente inestables que se desintegran rápidamente en elementos más ligeros (que son aún más pesados que el hierro). Esta desintegración provoca una emisión de luz que los astrónomos llaman “kilonova.”
El remanente de la estrella de neutrones está rodeado por un anillo de materia que gira rápidamente llamado disco de acreciónEs posible que solo tenga una pequeña cantidad de la masa del sistema, pero gran parte de su momento angular restante.
La simulación del equipo indicó que los restos de este tipo de fusión se reúnen como un objeto central que contiene la mayor parte de la masa de las estrellas de neutrones progenitoras. Sin embargo, una estrella de neutrones hija es radicalmente diferente de las “estrellas vivas” e incluso de otras estrellas de neutrones.
Si bien las estrellas de neutrones estándar son más frías en sus superficies y más calientes en sus núcleos, esta investigación indica que la hija de una fusión de estrellas de neutrones es más caliente en su superficie que en su núcleo. Los científicos también descubrieron que el remanente de la estrella de neutrones se enfría predominantemente a través de la emisión de neutrinos.
“Se ha especulado que los restos de la fusión de estrellas de neutrones serían convectivos, como el agua en una olla hirviendo calentada desde abajo”, explicó Radice. “Esta convección habría traído burbujas de materia nuclear caliente desde el interior de la estrella hacia el exterior a velocidades de alrededor del 10% de la velocidad de la luz y habría producido una señal característica de ondas gravitacionales que podría detectarse con experimentos de próxima generación”.
Sin embargo, las simulaciones realizadas por Radice y sus colegas demostraron algo diferente.
“Descubrimos, de manera un tanto sorprendente, que todo el material ‘frío’ se hunde hacia el centro tan rápidamente después de la fusión que la convección no tiene posibilidad de desarrollarse”, continuó. “Además, aunque la estrella se enfría desde su superficie emitiendo neutrinos, estos pueden difundirse desde el núcleo con la suficiente rapidez para evitar que la superficie se enfríe más que el interior, por lo que no puede desarrollarse la convección”.
Radice explicó que, en muchos sentidos, un remanente de fusión de estrellas de neutrones se parece a una estrella de neutrones recién nacida en una explosión de supernova. Ambas son extremadamente calientes pero se enfrían rápidamente al emitir neutrinos.
“Sin embargo, aunque se sabe que las estrellas de neutrones recién nacidas experimentan una mezcla vigorosa, que amplifica sus campos magnéticos y da origen a púlsares y magnetares, los remanentes de fusión no lo hacen”, añadió. “Los remanentes no necesariamente tienen que colapsar en un agujero negro. En realidad, no sabemos cuál es su destino.
“En nuestras simulaciones, hemos utilizado un modelo de materia densa que da como resultado un remanente que nunca colapsa en un agujero negro”.
Si bien existen otros modelos que predicen la formación inmediata de un agujero negro o la formación de un agujero negro con un breve retraso (el último escenario es el preferido por muchos astrónomos), Radice cree que aún no hay evidencia sólida en un sentido u otro.
“Necesitamos más observaciones para eso”, dijo.
Esta investigación es sólo el primer paso para comprender la física que rodea las fusiones de estrellas de neutrones, un entorno como ningún otro.
“La forma más clara de confirmar o refutar nuestros resultados sería ver evidencia de la presencia o ausencia de convección en las ondas gravitacionales posteriores a la fusión. Nuestros resultados también sugieren que debería haber un retraso del orden de un segundo entre la formación de un remanente de larga duración y el momento en que podría lanzar un chorro porque esperamos que el campo magnético quede atrapado dentro de la estrella debido a la ausencia de convección”, dijo Radice.
“La observación de una fusión con un lanzamiento retardado de un chorro y una contraparte óptica muy azul, lo que indicaría la formación de un remanente de larga duración, también podría confirmar nuestros resultados”, dijo.
Ahora, el equipo pretende examinar si la fuerza que actúa en la estrella de neutrones hija creada por esta fusión, la llamada “fuerza fuertees lo suficientemente fuerte como para evitar que este remanente colapse y dé origen a un agujero negro.
Un estudio relacionado con estos resultados fue publicado a finales de el año pasado en La Revista Astrofísica.