Modelado de la fusión de un agujero negro con una estrella de neutrones y el proceso posterior en una sola simulación


Usando cálculos de supercomputadora, los científicos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam y de Japón muestran una imagen consistente por primera vez: modelaron el proceso completo de la colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones. En sus estudios, calcularon el proceso desde las órbitas finales a través de la fusión hasta la fase posterior a la fusión en la que, según sus cálculos, pueden ocurrir estallidos de rayos gamma de alta energía. Los resultados de sus estudios ahora se han publicado en la revista Physical Review D.

Simulación numérica de la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro. El perfil de densidad se muestra en azul y verde, las líneas de campo magnético que penetran en el agujero negro se muestran en rosa. La materia suelta se muestra en blanco con su velocidad mediante flechas verdes. Crédito: K. Hayashi (Universidad de Kyoto)

Han pasado casi siete años desde la primera detección de ondas gravitacionales. El 14 de septiembre de 2015, los detectores LIGO en EE. UU. registraron la señal de dos agujeros negros fusionados desde las profundidades del espacio. Desde entonces, se han observado un total de 90 señales: de sistemas binarios de dos agujeros negros o estrellas de neutrones, y también de binarias mixtas. Si al menos una estrella de neutrones está involucrada en la fusión, existe la posibilidad de que no solo los detectores de ondas gravitacionales observen el evento, sino también los telescopios en el espectro electromagnético.

Cuando dos estrellas de neutrones se fusionaron en el evento detectado el 17 de agosto de 2017 (GW170817), unos 70 telescopios en la Tierra y en el espacio observaron las señales electromagnéticas. En las dos fusiones de estrellas de neutrones con agujeros negros observadas hasta ahora (GW200105 y GW200115), no se detectaron equivalentes electromagnéticos de las ondas gravitacionales. Pero cuando se midan más eventos de este tipo con detectores cada vez más sensibles, los investigadores también esperan observaciones electromagnéticas aquí. Durante y después de la fusión, se expulsa materia del sistema y se genera radiación electromagnética. Esto probablemente también produce breves estallidos de rayos gamma, tal como lo observan los telescopios espaciales.

Para su estudio, los científicos eligieron dos sistemas modelo diferentes que consisten en un agujero negro giratorio y una estrella de neutrones. Las masas del agujero negro se fijaron en 5,4 y 8,1 masas solares, respectivamente, y la masa de la estrella de neutrones se fijó en 1,35 masas solares. Estos parámetros se eligieron de modo que se pudiera esperar que la estrella de neutrones fuera destrozada por las fuerzas de las mareas.

«Obtenemos información sobre un proceso que dura uno o dos segundos; eso suena corto, pero de hecho suceden muchas cosas durante ese tiempo: desde las órbitas finales y la interrupción de la estrella de neutrones por las fuerzas de marea, la eyección de materia, hasta la formación de un disco de acreción alrededor del agujero negro naciente y una mayor eyección de materia en un chorro», dice Masaru Shibata, director del Departamento de Astrofísica Relativista Computacional del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam. «Este chorro de alta energía probablemente también sea la razón de los breves estallidos de rayos gamma, cuyo origen aún es misterioso. Los resultados de la simulación también indican que la materia expulsada debería sintetizar elementos pesados como el oro y el platino».

¿Qué sucede durante y después de la fusión?

Las simulaciones muestran que durante el proceso de fusión, la estrella de neutrones es desgarrada por las fuerzas de marea. Alrededor del 80% de la materia de la estrella de neutrones cae en el agujero negro en unos pocos milisegundos, aumentando su masa en aproximadamente una masa solar. En los siguientes 10 milisegundos, la materia de la estrella de neutrones forma una estructura espiral de un solo brazo. Parte de la materia del brazo espiral es expulsada del sistema, mientras que el resto (0,2–0,3 masas solares) forma un disco de acreción alrededor del agujero negro. Cuando el disco de acreción cae en el agujero negro después de la fusión, esto provoca una corriente de radiación electromagnética enfocada en forma de chorro, que en última instancia podría producir un breve estallido de rayos gamma.

Simulaciones de segundos de duración

A la computadora de clúster del departamento «Sakura» le tomó cerca de 2 meses resolver las ecuaciones de Einstein para el proceso que toma alrededor de dos segundos. «Estas simulaciones relativistas generales consumen mucho tiempo. Es por eso que los grupos de investigación de todo el mundo se han centrado hasta ahora solo en simulaciones cortas», explica el Dr. Kenta Kiuchi, líder del grupo en el departamento de Shibata, quien desarrolló el código. «Por el contrario, una simulación de extremo a extremo, como la que hemos realizado ahora por primera vez, proporciona una imagen autoconsistente de todo el proceso para condiciones iniciales binarias dadas que se definen una vez al principio».

Además, solo con simulaciones tan largas los investigadores pueden explorar el mecanismo de generación de estallidos cortos de rayos gamma, que suelen durar uno o dos segundos.

Shibata y los científicos de su departamento ya están trabajando en simulaciones numéricas similares pero aún más complejas para modelar de manera consistente la colisión de dos estrellas de neutrones y la fase posterior a la fusión.

Con información de Max Planck Society

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