Fusiones de estrellas de neutrones desiguales

Cuando dos estrellas de neutrones chocan entre sí, el resultado es a veces un agujero negro que se traga todo menos la evidencia gravitacional de la colisión. Sin embargo, en una serie de simulaciones, un equipo internacional de investigadores, incluyendo a un científico de la universidad Penn State, determinó que estas típicas colisiones silenciosas, al menos en términos de radiación que podamos detectar en la Tierra, a veces pueden ser mucho más ruidosas de lo esperado.

"Cuando dos estrellas de neutrones colapsadas increíblemente densas se combinan para formar un agujero negro, emergen del impacto fuertes ondas gravitacionales", dijo David Radice, profesor asistente de física y de astronomía y astrofísica en Penn State y miembro del equipo de investigación. "Ahora podemos captar estas ondas usando detectores como el LIGO en los Estados Unidos y el Virgo en Italia. Un agujero negro típicamente se traga cualquier otra radiación que pudiera haber salido de la fusión y que podríamos detectar en la Tierra, pero a través de nuestras simulaciones, encontramos que esto no siempre es así".

El equipo de investigación encontró que cuando las masas de las dos estrellas de neutrones en colisión son lo suficientemente diferentes, la compañera más grande desgarra a la más pequeña. Esto causa una fusión más lenta que permite que se escape un "bang" electromagnético. Los astrónomos deberían ser capaces de detectar esta señal electromagnética, y las simulaciones proporcionan firmas de estas ruidosas colisiones que los astrónomos podrían buscar desde la Tierra.

El equipo de investigación, que incluye a miembros de la colaboración internacional CoRe (Relatividad Computacional), describe sus hallazgos en un artículo que aparece en línea en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Recientemente, LIGO anunció el descubrimiento de un evento de fusión en el que las dos estrellas tenían posiblemente masas muy diferentes", dijo Radice. "La principal consecuencia en este escenario es que esperamos esta contrapartida electromagnética, muy característica, de la señal de la onda gravitacional".

Después de reportar la primera detección de una fusión de estrellas de neutrones en 2017, en 2019 el equipo del LIGO reportó la segunda, a la que llamaron GW190425. El resultado de la colisión de 2017 fue más o menos lo que los astrónomos esperaban, con una masa total de unas 2,7 veces la masa de nuestro Sol y con cada una de las dos estrellas de neutrones más o menos iguales en masa. Pero GW190425 era mucho más pesada, con una masa combinada de alrededor de 3,5 masas solares y la proporción de los dos participantes más desigual, posiblemente tan alta como 2 a 1.

A través de una serie de simulaciones, un equipo internacional de investigadores ha determinado que algunas fusiones de estrellas de neutrones producen una radiación que debería ser detectable desde la Tierra. Cuando las estrellas de neutrones de masa desigual se fusionan, la estrella más pequeña es desgarrada por las fuerzas de marea de su compañera masiva (izquierda). La mayor parte de la masa de la compañera más pequeña cae sobre la estrella masiva, provocando su colapso y la formación de un agujero negro (centro). Pero parte del material es expulsado al espacio; el resto cae para formar un disco de acreción masivo alrededor del agujero negro (derecha). (Foto: Adaptado de la figura 4 en "Accretion-induced prompt black hole formation in asymmetric neutron star mergers, dynamical ejecta and kilonova signals." Bernuzzi et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

"Si bien una diferencia de 2 a 1 en masa puede no parecer una gran diferencia, en las estrellas de neutrones solo es posible un pequeño rango de masas", dijo Radice.

En efecto, las estrellas de neutrones solo pueden existir en un estrecho rango de masas, entre 1,2 y 3 veces la masa de nuestro Sol. Los restos estelares más ligeros no colapsan para formar estrellas de neutrones y en su lugar forman enanas blancas, mientras que los objetos más pesados colapsan directamente para formar agujeros negros. Cuando la diferencia entre las estrellas que se fusionan llega a ser tan grande como en GW190425, los científicos sospecharon que la fusión pudo ser más complicada, y más fuerte en cuanto a radiación electromagnética. Los astrónomos no habían detectado ninguna señal de este tipo en la ubicación de GW190425, pero la cobertura de esa área del cielo por los telescopios convencionales ese día no era lo suficientemente buena como para descartarla.

Para entender el fenómeno de la colisión desigual de estrellas de neutrones, y para predecir las firmas de tales colisiones que los astrónomos podrían buscar, el equipo de investigación realizó una serie de simulaciones usando la plataforma Bridges del Centro de Supercomputación de Pittsburgh y la plataforma Comet del Centro de Supercomputación de San Diego -ambas en la red XSEDE de centros de supercomputación y computadoras de la Fundación Nacional de Ciencias- y otras supercomputadoras.

Los investigadores encontraron que mientras las dos estrellas de neutrones simuladas giraban en espiral una alrededor de la otra, la gravedad de la estrella más grande destrozaba a su compañera. Eso significaba que la estrella de neutrones más pequeña no golpeó a su compañera más masiva de una sola vez. El vertido inicial de la materia de la estrella más pequeña convirtió a la más grande en un agujero negro. Pero el resto de su materia estaba demasiado lejos para que el agujero negro la capturara inmediatamente. En cambio, la lenta lluvia de materia en el agujero negro creó un destello de radiación electromagnética.

El equipo de investigación espera que la firma simulada que encontraron pueda ayudar a los astrónomos, usando una combinación de detectores de ondas gravitacionales y telescopios convencionales, a detectar las señales emparejadas que anunciarían la ruptura de una estrella de neutrones más pequeña fusionándose con una más grande.

"Hay mucha incertidumbre en torno a las propiedades de las estrellas de neutrones", dijo Radice. "Para entenderlas, tenemos que simular muchos modelos posibles para ver cuáles son compatibles con las observaciones astronómicas. Una sola simulación de un modelo no nos diría mucho; tenemos que realizar un gran número de simulaciones bastante intensas desde el punto de vista computacional. Necesitamos una combinación de alta capacidad y gran capacidad que solo máquinas como Bridges pueden ofrecer. Este trabajo no habría sido posible sin el acceso a esos recursos nacionales de supercomputación". (Fuente: NCYT Amazings)