Esta simulación, muestreado en una esfera con un 6, Radio de 200 millas que se centra en un agujero negro, muestra un evento explosivo conocido como kilonova que está asociado con una fusión de estrellas de neutrones. Un componente, que dura días, tiene una firma asociada de luz de frecuencia azul (azul), y otro componente que dura semanas tiene un pico de color asociado de luz infrarroja cercana (roja). El verde muestra la firma de los jets energéticos asociados que se crean en la fusión. Crédito:Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society
Los científicos están mejorando en el modelado de la compleja maraña de propiedades físicas en juego en uno de los eventos más poderosos del universo conocido:la fusión de dos estrellas de neutrones.
Las estrellas de neutrones son las que giran rápidamente, cáscaras ultradensas de estrellas más grandes que explotaron como supernovas. Miden alrededor de 12 millas de ancho, y una sola cucharadita de materia de estrella de neutrones pesa tanto como 1, 125 puentes Golden Gate, o 2, 735 edificios Empire State.
El 17 de agosto 2017, Los científicos observaron una firma de ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo, y también una explosión explosiva asociada. conocido como kilonova, que se explican mejor por la fusión de dos estrellas de neutrones. Y nuevamente el 25 de abril, 2019, otro probable evento de fusión de estrellas de neutrones, basado únicamente en una medición de ondas gravitacionales.
Si bien estos eventos pueden ayudar a comparar y validar los modelos físicos que los investigadores desarrollan para comprender qué está funcionando en estas fusiones, Los investigadores aún deben esencialmente comenzar desde cero para construir la física correcta en estos modelos.
En un estudio publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society diario, un equipo dirigido por científicos de la Universidad Northwestern simuló la formación de un disco de materia, una explosión gigante de materia expulsada, y la puesta en marcha de chorros de energía alrededor del objeto restante, ya sea una estrella de neutrones más grande o un agujero negro, como consecuencia de esta fusión.
El equipo incluyó a investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), UC Berkeley, la Universidad de Alberta, y la Universidad de New Hampshire.
Para hacer que el modelo sea más realista que en esfuerzos anteriores, el equipo construyó tres simulaciones separadas que probaron diferentes geometrías para los poderosos campos magnéticos que rodean la fusión.
Ilustración artística de dos estrellas de neutrones fusionadas. La cuadrícula ondulante del espacio-tiempo representa ondas gravitacionales que viajan desde la colisión, mientras que los haces estrechos muestran las ráfagas de rayos gamma que se disparan segundos después de las ondas gravitacionales. También se representan nubes arremolinadas de material expulsado de las estrellas fusionadas. Las nubes brillan con luz visible y otras longitudes de onda. Crédito:NSF / LIGO / Universidad Estatal de Sonoma / A. Simonnet
"Partimos de un conjunto de principios físicos, realizando un cálculo que nadie ha hecho antes a este nivel, y luego preguntando, "¿Estamos razonablemente cerca de las observaciones o nos falta algo importante? '", Dijo Rodrigo Fernández, coautor del último estudio e investigador de la Universidad de Alberta.
Las simulaciones tridimensionales que llevaron a cabo, que incluyó tiempo de computación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley Lab (NERSC), implicó más de 6 millones de horas de CPU (unidad de procesamiento de computadora).
Las simulaciones tienen en cuenta los efectos de GRMHD (magnetohidrodinámica relativista general), que incluyen propiedades asociadas con campos magnéticos y materia fluida, así como las propiedades de la materia y la energía que viajan casi a la velocidad de la luz. Los investigadores señalaron que las simulaciones también podrían resultar útiles para modelar la fusión de un agujero negro con una estrella de neutrones.
Para simular los estallidos de kilonova, un evento de creación de elementos que los científicos creen que es responsable de sembrar el espacio con elementos pesados, el equipo produjo estimaciones de su masa total expulsada, su velocidad media, y su composición.
"Con estas tres cantidades se puede estimar si la curva de luz tendría la luminosidad adecuada, color, y tiempo de evolución, "Dijo Fernández.
Hay dos componentes generalizados de estos estallidos de kilonovas:uno evoluciona a lo largo de los días y se caracteriza por la luz de frecuencia azul característica que emite en su punto máximo, y el otro dura semanas y tiene un pico de color asociado a la luz del infrarrojo cercano.
Las últimas simulaciones están diseñadas para modelar estos componentes azul y rojo de las kilonovas.
Las simulaciones también ayudan a explicar el lanzamiento de poderosos chorros de energía que emanan hacia afuera después de la fusión. incluyendo un carácter "rayado" de los chorros debido a los efectos de poderosos, campos magnéticos alternos. Estos chorros se pueden observar como un estallido de rayos gamma, como en el evento de 2017.
Un corte vertical 2D de una simulación 3D GRMHD (magnetohidrodinámico relativista general) de una fusión de estrellas de neutrones inicializada con un campo magnético toroidal (en forma de rosquilla), mostrando densidad de masa (el rojo es de alta densidad, el azul claro es de baja densidad). Las líneas negras revelan características de las líneas del campo magnético. Se forman chorros de energía (azul oscuro) como consecuencia de la fusión. Crédito:Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society
Daniel Kasen, científico de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab y profesor asociado de física y astronomía en UC Berkeley, dijo, "Los campos magnéticos proporcionan una forma de aprovechar la energía de un agujero negro giratorio y utilizarla para disparar chorros de gas que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. Estos chorros pueden producir ráfagas de rayos gamma, así como emisión extendida de radio y rayos X, todos los cuales se vieron en el evento de 2017 ".
Fernández reconoció que las simulaciones aún no reflejan con precisión las observaciones (las simulaciones mostraron una masa menor para la contribución de la kilonova azul en comparación con la roja) y que mejores modelos de la estrella de neutrones hipermasiva resultante de la fusión y de los abundantes neutrinos:partículas fantasmales que viajan a través de la mayoría de los tipos de materia sin verse afectados, asociados con el evento de fusión, son necesarios para mejorar los modelos.
El modelo se benefició de los modelos de los discos de materia (discos de acreción) que circundan los agujeros negros, así como modelos de propiedades de enfriamiento de neutrinos, el volumen de neutrones y protones asociados con el evento de fusión, y el proceso de creación de materia asociado con la kilonova.
Kasen señaló que los recursos informáticos en Berkeley Lab "nos permiten mirar en los entornos más extremos, como este remolino turbulento chapoteando fuera de un agujero negro recién nacido, y observar y aprender cómo se fabricaron los elementos pesados".
Las simulaciones sugieren que la fusión de estrellas de neutrones observada en agosto de 2017 probablemente no formó un agujero negro inmediatamente después. y que los campos magnéticos más fuertes tenían forma de rosquilla. También, las simulaciones coincidieron en gran medida con algunos modelos de larga data para el comportamiento de los fluidos.
