Nuevo modelo astrofísico acerca de las largas explosiones de rayos gamma

Simulaciones por computadora de última generación combinadas con cálculos teóricos están ayudando a los astrónomos a comprender mejor el origen de algunos de los espectáculos de luz más energéticos y misteriosos del universo: los estallidos de rayos gamma o GRB. El nuevo modelo unificado confirma que algunos GRB de larga duración se crean como consecuencia de fusiones cósmicas que generan un agujero negro infantil rodeado por un disco gigante de material natal.

Anteriormente, los astrónomos pensaban que los agujeros negros que generan GRB largos normalmente se forman cuando colapsan estrellas masivas. Sin embargo, el nuevo modelo muestra que también pueden surgir cuando dos objetos densos se fusionan, como un par de estrellas de neutrones (los restos densos y muertos de estrellas masivas) o un agujero negro y una estrella de neutrones. Los hallazgos explican los GRB largos observados recientemente que los astrónomos no pudieron vincular con estrellas en colapso.

Los creadores de la simulación presentan sus resultados en The Astrophysical Journal Letters.

«Nuestros hallazgos, que conectan las observaciones con la física subyacente, han unificado muchos misterios no resueltos en el campo de los estallidos de rayos gamma», dice Ore Gottlieb, autor principal del nuevo estudio e investigador del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron. ) En nueva york. «Por primera vez, podemos observar las observaciones del GRB y saber qué sucedió antes de que se formara el agujero negro».

Los GRB son algunos de los eventos más brillantes y violentos del cosmos. Desde su primera detección en 1967, los GRB han deslumbrado y desconcertado a los astrónomos. Incluso décadas después, los mecanismos exactos que generan las poderosas explosiones de rayos gamma siguen siendo inciertos. A lo largo de los años, los astrónomos han notado dos poblaciones distintas de GRB: unas que duran menos de un segundo y otras que persisten durante 10 segundos o más.

Los investigadores finalmente determinaron que los GRB cortos se originan a partir de chorros lanzados después de la fusión de dos objetos compactos y que los GRB largos pueden ocurrir cuando se lanzan chorros durante el colapso de estrellas masivas en rotación. Pero el año pasado, dos observaciones de GRB inusualmente largas sugirieron que el colapso de gigantes no era lo único que causaba GRB prolongados.

Gottlieb y sus colegas realizaron simulaciones de última generación para probar cómo las fusiones de objetos compactos masivos pueden generar GRB. Las nuevas simulaciones tardaron meses en realizarse y se realizaron parcialmente en una de las supercomputadoras del Instituto Flatiron. Las nuevas simulaciones comienzan cuando los dos objetos compactos se encuentran en una órbita cercana y siguen a los chorros hasta que se alejan del lugar de fusión. Este enfoque permite a los investigadores hacer menos suposiciones sobre la física involucrada.

Combinando las simulaciones con limitaciones de datos astronómicos, los científicos construyeron un modelo unificado para los orígenes de los GRB.

Los investigadores determinaron que los GRB inusuales se generan tras la fusión de dos objetos compactos. Después de fusionarse, los objetos crean un agujero negro rodeado por un gran disco de acreción (una rosquilla de material sobrante cargado magnéticamente que gira rápidamente) que puede bombear GRB largos. Esta información de la simulación ayuda a los astrónomos a comprender no sólo los objetos que crearon estos GRB sino también lo que los precedió.

«Si vemos un GRB largo como los observados en 2022, ahora sabemos que proviene de un agujero negro con un disco masivo», dice Gottlieb. «Y sabiendo que hay un disco masivo, ahora podemos calcular la relación de masas de los dos objetos parentales porque su relación de masa está relacionada con las propiedades del disco. Por ejemplo, la fusión de estrellas de neutrones de masa desigual inevitablemente producir un GRB de larga duración.»

Los científicos esperan utilizar el modelo unificado para identificar qué objetos crean GRB cortos. Esas explosiones, sugiere el modelo, podrían ser causadas por agujeros negros con discos de acreción más pequeños, o podrían provenir de un objeto llamado estrella de neutrones hipermasiva, que es una forma inestable de estrella que colapsa rápidamente para formar un agujero negro, pero no antes. emite GRB cortos.

Los científicos esperan que con más observaciones de los GRB, puedan perfeccionar aún más su simulación para determinar todos los orígenes de los GRB. Aunque los avistamientos de GRB siguen siendo relativamente raros, los astrónomos pretenden capturar muchos más cuando el Observatorio Vera C. Rubin comience a observar a principios de 2025.

«A medida que obtengamos más observaciones de GRB con diferentes duraciones de pulso, podremos sondear mejor los motores centrales que impulsan estos eventos extremos», dice Gottlieb.

Con información de The Astrophysical Journal