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

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

Si la fusión involucrara un agujero negro y una estrella de neutrones, ¡el evento produciría gigavatios y un peligroso espectáculo de luces! Utilizando los datos recopilados de las tres fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones que hemos descubierto hasta ahora, un equipo de astrofísicos de Japón y Alemania pudo modelar todo el proceso de colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones, que incluía todo, desde el binario. órbitas finales hasta la etapa de fusión y más allá. Sus resultados podrían ayudar a futuras encuestas que sean lo suficientemente sensibles como para estudiar fusiones y eventos de GW con mucho más detalle.

El equipo de investigación estuvo 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, la Universidad de Toho en Japón y el Instituto Albert Einstein en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (MPIGP) en Potsdam, Alemania. El artículo que describe sus hallazgos dirigido por el profesor Koto Hayashi en YITP y apareció recientemente en la revista científica revisión física d.

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Fusiones de cuerpos compactos detectadas hasta ahora por LIGO y Virgo (en O1, O2 y O3a). Crédito: Colaboración LEGO Virgo/Frank Ilavsky, Aaron Geller/Northwestern

Para resumir, los GW son ondas misteriosas en el espacio-tiempo originalmente predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein. Se crean cuando los objetos masivos se fusionan y crean perturbaciones de marea en el tejido mismo del universo, que se pueden detectar a miles de años luz de distancia. Hasta el momento, 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, descubierto el 17 de agosto de 2017, los astrónomos descubrieron un isótopo electromagnético de los gigavatios que producía.

En los próximos años, se espera que los telescopios e interferómetros con mayor sensibilidad vean más de estos eventos. Según los mecanismos utilizados, los científicos esperan que las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones impliquen material expulsado del sistema y liberaciones masivas de radiación (que pueden incluir breves ráfagas de rayos gamma). Para su estudio, el equipo modeló cómo se verían las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones para probar estas predicciones.

Eligieron dos sistemas modelo diferentes que consisten en un agujero negro giratorio y una estrella de neutrones, con el agujero negro de 5,4 y 8,1 masas solares y la estrella de neutrones de 1,35 masas solares. Estos parámetros se eligieron para que la estrella de neutrones sea probablemente destrozada por las fuerzas de las mareas. La fusión se simuló utilizando el paquete informático “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 toma uno o dos segundos; eso suena corto, pero en realidad suceden muchas cosas durante ese tiempo: desde las órbitas terminales 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 emergente, y más materia expulsada está en un plano. Este chorro de alta energía también puede ser la causa de los estallidos cortos de rayos gamma, cuya fuente sigue siendo un misterio. Los resultados de la simulación también sugieren que la materia expulsada debe forman elementos más pesados ​​como el oro y el platino”.

El equipo también compartió detalles de la 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 líneas azules y verdes, las líneas de campo magnético que penetran en el agujero negro como curvas rosadas y el material expulsado del sistema como grumos blancos turbios. En el lado derecho, la intensidad del campo magnético de la fusión se muestra en púrpura, mientras que las líneas de campo se muestran 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. El agujero negro consumió alrededor del 80% de la materia de la estrella de neutrones 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 (masa de 02.-0.3 solar) formó un disco de acreción alrededor del agujero negro.

Después de que se completó la fusión, el disco de acreción se sumergió en el agujero negro, provocando una efusión enfocada similar a un chorro de radiación electromagnética y materia. Este flujo se emite desde los polos, similar a lo que se ve a menudo con los núcleos galácticos activos (AGN), y puede resultar en un breve estallido de rayos gamma. Lo que fue especialmente asombroso fue que, mientras que las simulaciones tardaron dos meses en generarse, ¡el proceso de fusión simulado duró unos dos segundos! El Dr. Kenta Kiiuchi, líder de grupo en el departamento de Shibata que desarrolló el código de simulación, dijo:

Tales simulaciones de relatividad general 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, las simulaciones de extremo a extremo, como la que hemos realizado ahora por primera vez, brindan una imagen autoconsistente de todo el proceso para ciertas condiciones iniciales binarias definidas una vez al principio. “

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

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 de radio rápidas (FRB) que también duran solo segundos o milisegundos, los GRB son los fenómenos más energéticos del universo y los astrónomos están ansiosos por investigarlos más a fondo. Mirando hacia el futuro, Shibata y sus colegas están trabajando en simulaciones numéricas más complejas para modelar las fusiones de estrellas de neutrones y los resultados.

También se espera que las fusiones de estrellas de neutrones incluyan una contribución electromagnética y estallidos de rayos gamma de corta duración. Este estudio ilustra cómo el estudio GW ha progresado a buen ritmo en los últimos años y cómo las observaciones más sensibles siguen el ritmo de las mejoras en la informática y la simulación. ¡El resultado son avances en nuestra comprensión del universo que están ocurriendo a un ritmo cada vez mayor! ¿Quién sabe qué descubrimientos podrían estar cerca de la próxima esquina?

Lectura adicional: MPIGPY el revisión física d

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