La mezcla de neutrinos de estrellas de neutrones en colisión cambia el desarrollo de la fusión, revelan simulaciones

La colisión y fusión de dos estrellas de neutrones (los remanentes increíblemente densos de estrellas colapsadas) se encuentran entre los eventos más energéticos del universo y producen diversas señales observables en la Tierra.

Nuevas simulaciones de fusiones de estrellas de neutrones realizadas por un equipo de la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Tennessee en Knoxville revelan que la mezcla y la transformación de diminutas partículas llamadas neutrinos, capaces de viajar distancias astronómicas sin perturbaciones, influyen en el desarrollo de la fusión, así como en las emisiones resultantes. Los hallazgos tienen implicaciones para preguntas de larga data sobre el origen de los metales y las tierras raras, así como para la comprensión de la física en entornos extremos, según los investigadores.

El artículo, publicado en la revista Physical Review Letters, es el primero en simular la transformación de los «sabores» de neutrinos en las fusiones de estrellas de neutrones. Los neutrinos son partículas fundamentales que interactúan débilmente con la materia y se presentan en tres sabores, llamados así por las otras partículas con las que se asocian: electrón, muón y tau. En condiciones específicas, como en el interior de una estrella de neutrones, los neutrinos pueden, en teoría, cambiar de sabor, lo que puede modificar los tipos de partículas con las que interactúan.

«Las simulaciones previas de fusiones de estrellas de neutrones binarias no han incluido la transformación del sabor de los neutrinos», afirmó Yi Qiu, estudiante de posgrado en física en la Facultad de Ciencias Eberly de la Universidad Estatal de Pensilvania y primer autor del artículo.

Esto se debe en parte a que este proceso ocurre en una escala de tiempo de nanosegundos y es muy difícil de capturar, y en parte a que, hasta hace poco, desconocíamos lo suficiente la física teórica que subyace a estas transformaciones, la cual se encuentra fuera del modelo estándar de la física.

En nuestras nuevas simulaciones, descubrimos que la extensión y la ubicación de la mezcla y transformación de los neutrinos afectan la materia expulsada de la fusión, la estructura y la composición de lo que queda después de la fusión (el remanente), así como el material que lo rodea.

Los investigadores construyeron una simulación por computadora de la fusión de una estrella de neutrones desde cero, incorporando diversos procesos físicos, como la gravedad, la relatividad general, la hidrodinámica y la mezcla de neutrinos. También tuvieron en cuenta la transformación de neutrinos con sabor a electrones en neutrinos con sabor a muones, que, según los investigadores, es la transformación de neutrinos más relevante en este entorno. Modelaron varios escenarios, variando el momento y la ubicación de la mezcla, así como la densidad del material circundante.

Los investigadores descubrieron que todos estos factores influyeron en la composición. y la estructura del remanente de fusión, incluyendo el tipo y la cantidad de elementos creados durante la fusión. Durante una colisión, los neutrones de una estrella de neutrones pueden ser lanzados a otros átomos en los escombros, que pueden capturarlos y finalmente desintegrarse en elementos más pesados, como metales pesados ​​como el oro y el platino, así como tierras raras que se utilizan en la Tierra en teléfonos inteligentes, baterías de vehículos eléctricos y otros dispositivos.

«El sabor de un neutrino modifica su interacción con la materia», afirmó David Radice, profesor de Física en la Universidad Knerr y profesor asociado de astronomía y astrofísica en la Facultad de Ciencias Eberly de la Universidad Estatal de Pensilvania, y autor del artículo. «Los neutrinos de tipo electrónico pueden transformar un neutrón, uno de los tres componentes básicos del átomo, en los otros dos: un protón y un electrón. Sin embargo, los neutrinos de tipo muón no pueden hacerlo.

Por lo tanto, la conversión de los sabores de los neutrinos puede alterar la cantidad de neutrones disponibles en el sistema, lo que incide directamente en la creación de metales pesados ​​y tierras raras. Aún existen muchas preguntas pendientes sobre el origen cósmico de estos importantes elementos, y descubrimos que tener en cuenta la mezcla de neutrinos podría aumentar la producción de elementos hasta en un factor de 10.

La mezcla de neutrinos durante la fusión también influyó en la cantidad y composición de la materia expulsada de la fusión, lo que, según los investigadores, podría alterar las emisiones detectables desde la Tierra. Estas emisiones suelen incluir ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio-tiempo), así como radiación electromagnética como rayos X o rayos gamma.

«En nuestras simulaciones, la mezcla de neutrinos afectó las emisiones electromagnéticas de las fusiones de estrellas de neutrones y posiblemente también las ondas gravitacionales», afirmó Radice.

«Con detectores de vanguardia como LIGO, Virgo y KAGRA, y sus homólogos de próxima generación, como el propuesto observatorio Cosmic Explorer, que podría comenzar a operar en la década de 2030, los astrónomos están preparados para detectar ondas gravitacionales con mayor frecuencia que antes. Comprender mejor cómo se crean estas emisiones a partir de las fusiones de estrellas de neutrones nos ayudará a interpretar futuras observaciones.

Los investigadores afirmaron que modelar los procesos de mezcla era similar a un péndulo invertido. Inicialmente, se produjeron muchos cambios a una escala de tiempo increíblemente rápida, pero finalmente el péndulo se estabiliza. Sin embargo, gran parte de esto, explicaron, es una suposición.

«Aún desconocemos mucho sobre la física teórica de estas transformaciones de neutrinos», afirmó Qiu. «A medida que la física teórica de partículas continúa avanzando, podemos mejorar considerablemente nuestras simulaciones. Lo que sigue siendo incierto es dónde y cómo ocurren estas transformaciones en las fusiones de estrellas de neutrones». Nuestro conocimiento actual sugiere que son muy probables, y nuestras simulaciones muestran que, de ocurrir, pueden tener efectos importantes, por lo que es importante incluirlas en futuros modelos y análisis.

Ahora que se ha creado la infraestructura para estas complejas simulaciones, los investigadores afirmaron que esperan que otros grupos utilicen la tecnología para continuar explorando los impactos de la mezcla de neutrinos.

«Las fusiones de estrellas de neutrones funcionan como laboratorios cósmicos, proporcionando información importante sobre la física extrema que no podemos replicar de forma segura en la Tierra», afirmó Radice.

Además de Qiu y Radice, el equipo de investigación incluye a Maitraya Bhattacharyya, investigador postdoctoral del Instituto de Gravitación y el Cosmos de Penn State, y a Sherwood Richers, de la Universidad de Tennessee, Knoxville.

Con información de Physical Review Letters