Un agujero negro puede destrozar una estrella de neutrones en menos de 2 segundos


Hace casi siete años (14 de septiembre de 2015), los investigadores del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) detectaron ondas gravitacionales (GW) por primera vez. Sus resultados se compartieron con el mundo seis meses después y le valieron al equipo de descubrimiento el Premio Nobel de Física al año siguiente. Desde entonces, se han observado un total de 90 señales creadas por sistemas binarios de dos agujeros negros, dos estrellas de neutrones o una de cada. Este último escenario presenta algunas oportunidades muy interesantes para los astrónomos.

Simulación numérica de la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro. Crédito y ©: K. Hayashi (Universidad de Kyoto)

Si una fusión involucra un agujero negro y una estrella de neutrones, ¡el evento producirá GW y una exhibición de luz seria! Utilizando los datos recopilados de las tres fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros que hemos detectado hasta ahora, un equipo de astrofísicos de Japón y Alemania pudo modelar el proceso completo de la colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones, que incluía todo, desde las órbitas finales del binario a la fase de fusión y posterior a la fusión. Sus resultados podrían ayudar a informar encuestas futuras que sean lo suficientemente sensibles como para estudiar fusiones y eventos de GW con mucho más detalle.

El equipo de investigación fue dirigido por Kota Hayashi, investigador del Instituto Yukawa de Física Teórica (YITP) de la Universidad de Kyoto. A él se unieron varios colegas de YITP y la Universidad de Toho en Japón y el Instituto Albert Einstein en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (MPIGP) en Postdam, Alemania. El artículo que describe sus hallazgos fue dirigido por YITP Prof. Koto Hayashi y apareció recientemente en la revista científica Physical Review D.

En resumen, los GW son ondas misteriosas en el espacio-tiempo originalmente predichas por la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Se crean cada vez que los objetos masivos se fusionan y crean interrupciones de marea en el tejido mismo del Universo, que se pueden detectar a miles de años luz de distancia. Hasta la fecha, solo se han observado tres fusiones que involucran un sistema binario que consta de un agujero negro y una estrella de neutrones. Durante uno de estos, GW170817, detectado el 17 de agosto de 2017, los astrónomos detectaron una contraparte electromagnética de los GW que produjo.

En los próximos años, se espera que los telescopios e interferómetros de mayor sensibilidad vean mucho más de estos eventos. Con base en la mecánica involucrada, los científicos anticipan que las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros incluirán materia expulsada del sistema y una tremenda liberación de radiación (que podría incluir estallidos cortos de rayos gamma). Para su estudio, el equipo modeló cómo se verían las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros para probar estas predicciones.

Las fusiones de objetos compactos descubiertos hasta ahora por LIGO y Virgo (en O1, O2 y O3a). Crédito: Colaboración LIGO Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Noroeste

Seleccionaron dos sistemas modelo diferentes que consisten en un agujero negro giratorio y una estrella de neutrones, con el agujero negro fijado en 5,4 y 8,1 masas solares y la estrella de neutrones en 1,35 masas solares. Estos parámetros se seleccionaron de modo que la estrella de neutrones fuera probablemente desgarrada por las fuerzas de las mareas. El proceso de fusión se simuló utilizando el clúster de computadoras “Sakura” en el Departamento de Astrofísica Relativista Computacional del MPIGP. En un comunicado de prensa de MPIGP, el director del departamento y coautor Masaru Shibata explicó:

“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. Este chorro de alta energía es probablemente también la razón de los breves estallidos de rayos gamma, cuyo origen sigue siendo un misterio. Los resultados de la simulación también indican que la materia expulsada debería sintetizar elementos pesados ​​como el oro y el platino”.

El equipo también compartió los detalles de su simulación en una animación (que se muestra arriba) a través del canal de Youtube del Instituto Max Planck de Física Gravitacional. En el lado izquierdo, la simulación muestra el perfil de densidad como contornos azules y verdes, las líneas del campo magnético que penetran en el agujero negro se muestran como curvas rosadas y la materia expulsada del sistema como masas blancas nubladas. En el lado derecho, la intensidad del campo magnético de la fusión se representa en magenta, mientras que las líneas de campo aparecen como curvas de color azul claro.

Al final, sus simulaciones mostraron que durante el proceso de fusión, la estrella de neutrones es desgarrada por las fuerzas de marea en cuestión de segundos. Alrededor del 80% de la materia de la estrella de neutrones fue consumida por el agujero negro en los primeros milisegundos, aumentando la masa del agujero negro en una masa solar adicional. En los siguientes diez milisegundos, la estrella de neutrones formó una estructura espiral de un solo brazo, parte de la materia fue expulsada del sistema mientras que el resto (02.-0.3 masas solares) formó un disco de acreción alrededor del agujero negro.
Después de que se completó la fusión, el disco de acreción cayó en el agujero negro, provocando una corriente enfocada similar a un chorro de radiación electromagnética y materia. Este chorro emana de los polos, similar a lo que se ve a menudo con los Núcleos Galácticos Activos (AGN), y podría resultar en un breve estallido de rayos gamma. Lo que fue especialmente sorprendente fue que, mientras que las simulaciones tardaron dos meses en generarse, ¡la fusión simulada duró unos dos segundos! Dijo el Dr. Kenta Kiuchi, el líder del grupo en el departamento de Shibata que desarrolló el código de simulación:

“Tales 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 breves. 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 las condiciones iniciales binarias dadas que se definen una vez al principio”.

Ilustración artística de dos estrellas de neutrones fusionándose. Los haces estrechos representan el estallido de rayos gamma, mientras que la cuadrícula de espacio-tiempo ondulante indica ondas gravitacionales. Crédito: Fundación Nacional de Ciencias/LIGO/Universidad Estatal de Sonoma/A. simonnet

Las simulaciones a largo plazo también permiten a los astrónomos explorar el mecanismo detrás de los estallidos de rayos gamma (GRB) de corta duración. Además de ser un fenómeno transitorio, como las ráfagas rápidas de radio (FRB) que también duran solo segundos o milisegundos, los GRB son el fenómeno más energético del Universo y los astrónomos están ansiosos por investigarlos más a fondo. De cara al futuro, Shibata y sus colegas están trabajando en simulaciones numéricas más complejas para modelar la fusión de estrellas de neutrones y sus resultados.

También se espera que la fusión de estrellas de neutrones incluya una contribución electromagnética y estallidos de rayos gamma de corta duración. Este estudio sirve para ilustrar cómo el estudio de GW ha avanzado a pasos agigantados en los últimos años y cómo las observaciones son más sensibles y siguen el ritmo de las mejoras en la informática y las simulaciones. ¡El resultado son avances en nuestra comprensión del Universo que ocurren a un ritmo cada vez mayor! ¿Quién sabe qué descubrimientos podrían estar a la vuelta de la esquina?

Con información de Universetoday.com

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