¿Qué sale de la colisión de dos estrellas de neutrones?

Un nuevo estudio dirigido por científicos del GSI y colegas internacionales investiga la formación de agujeros negros en las fusiones de estrellas de neutrones. Las simulaciones por ordenador muestran que las propiedades de la materia nuclear densa juegan un papel crucial, lo que vincula directamente el evento de fusión astrofísica con los experimentos de colisión de iones pesados.

Estas propiedades serán estudiadas con mayor precisión en las futuras instalaciones de FAIR. Los resultados se han publicado en la revista Physical Review Letters. Con la concesión del Premio Nobel de Física 2020 por la descripción teórica de los agujeros negros y por el descubrimiento de un objeto supermasivo en el centro de nuestra galaxia, el tema recibe actualmente mucha atención.

Pero, ¿bajo qué condiciones se forma realmente un agujero negro? Esta es la pregunta central de un estudio dirigido por el GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt dentro de una colaboración internacional. Utilizando simulaciones por ordenador, los científicos se centran en un proceso particular para formar agujeros negros, concretamente, la fusión de dos estrellas de neutrones.

Las estrellas de neutrones consisten en materia densa altamente comprimida. Una masa solar y media se halla comprimida alcanzando el tamaño de unos pocos kilómetros. Esto corresponde a densidades similares o incluso superiores a las del interior de los núcleos atómicos. Si dos estrellas de neutrones se fusionan, la materia se comprime aún más durante la colisión. Esto hace que el remanente de la fusión esté a punto de colapsar en forma de agujero negro. Los agujeros negros son los objetos más compactos del universo, donde ni siquiera la luz puede escapar, por lo que estos objetos no pueden ser observados directamente.

En una fusión de estrellas de neutrones se producen temperaturas y densidades extremas. (Foto: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.)

"El parámetro crítico es la masa total de las estrellas de neutrones. Si excede cierto umbral, el colapso hacia un agujero negro es inevitable" resume el Dr. Andreas Bauswein del departamento de teoría de GSI. Sin embargo, la masa umbral exacta depende de las propiedades de la materia nuclear altamente densa. Estas propiedades de la materia de alta densidad aún no se comprenden completamente, por lo que los laboratorios de investigación como el GSI colisionan núcleos atómicos, como una fusión de estrellas de neutrones pero a una escala mucho menor. De hecho, las colisiones de iones pesados llevan a condiciones muy similares a las de las fusiones de estrellas de neutrones. Basándose en desarrollos teóricos y experimentos físicos de iones pesados, es posible calcular ciertos modelos de materia de estrellas de neutrones, las llamadas ecuaciones de estado.

Empleando numerosas ecuaciones de estado, el nuevo estudio calculó la masa umbral para la formación de agujeros negros. Si la materia de la estrella de neutrones o la materia nuclear, respectivamente, son fácilmente comprimibles, entonces la fusión de una estrella de neutrones relativamente ligera ya conduce a la formación de un agujero negro. Si la materia nuclear es "más rígida" y menos comprimible, el remanente se estabiliza frente al llamado colapso gravitatorio y se forma un remanente masivo de estrella de neutrones en rotación a partir de la colisión. Por lo tanto, la propia masa umbral del colapso informa sobre las propiedades de la materia de alta densidad. El nuevo estudio reveló además que el umbral para el colapso puede incluso aclarar si durante la colisión los nucleones se disuelven en sus constituyentes, los quarks.

"Estamos muy entusiasmados con estos resultados porque esperamos que las futuras observaciones puedan revelar la masa umbral", añade el profesor Nikolaos Stergioulas del departamento de física de la Universidad Aristóteles de Salónica en Grecia. Hace unos años se observó por primera vez una fusión de estrellas de neutrones midiendo las ondas gravitacionales de la colisión. Los telescopios también encontraron la "contrapartida electromagnética" y detectaron la luz del evento de fusión. Si se forma un agujero negro directamente durante la colisión, la emisión óptica de la fusión es bastante tenue. Por lo tanto, los datos de observación indican si se creó un agujero negro. Al mismo tiempo, la señal de la onda gravitacional lleva información sobre la masa total del sistema. Cuanto más masivas son las estrellas, más fuerte es la señal de la onda gravitacional, lo que permite determinar la masa umbral. (Fuente: NCYT Amazings)