Un equipo de investigación internacional dirigido por miembros del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI) ha obtenido nuevas medidas de cuán grandes son las estrellas de neutrones. Para hacerlo combinaron una descripción general de los primeros principios del comportamiento desconocido de la materia de las estrellas de neutrones con observaciones de múltiples mensajeros de la fusión de estrellas de neutrones binarios GW170817. Sus resultados, que apareció en Astronomía de la naturaleza hoy dia, son más estrictas en un factor de dos que los límites anteriores y muestran que una estrella de neutrones típica tiene un radio cercano a los 11 kilómetros. También encontraron que las estrellas de neutrones que se fusionan con los agujeros negros, en la mayoría de los casos, es probable que se traguen enteras. a menos que el agujero negro sea pequeño y / o esté rotando rápidamente. Esto significa que, si bien tales fusiones pueden ser observables como fuentes de ondas gravitacionales, serían invisibles en el espectro electromagnético.

"¡Las fusiones binarias de estrellas de neutrones son una mina de oro de información!" dice Collin Capano, investigador del AEI Hannover y autor principal del Astronomía de la naturaleza estudio. "Las estrellas de neutrones contienen la materia más densa del universo observable. De hecho, son tan densos y compactos, que puedes pensar en toda la estrella como un solo núcleo atómico, ampliado al tamaño de una ciudad. Midiendo las propiedades de estos objetos, aprendemos sobre la física fundamental que gobierna la materia a nivel subatómico ".

"Encontramos que la típica estrella de neutrones, que es aproximadamente 1.4 veces más pesado que nuestro Sol tiene un radio de aproximadamente 11 kilómetros, "dice Badri Krishnan, quien dirige el equipo de investigación del AEI Hannover. "Nuestros resultados limitan el radio a estar entre 10,4 y 11,9 kilómetros. Este es un factor dos veces más estricto que los resultados anteriores".

Fusiones binarias de estrellas de neutrones como tesoro astrofísico

Las estrellas de neutrones son compactas, restos extremadamente densos de explosiones de supernovas. Tienen aproximadamente el tamaño de una ciudad con hasta el doble de la masa de nuestro Sol. ¿Cómo los ricos en neutrones, Se desconoce el comportamiento de la materia extremadamente densa, y es imposible crear tales condiciones en cualquier laboratorio de la Tierra. Los físicos han propuesto varios modelos (ecuaciones de estado), pero se desconoce cuál (si alguno) de estos modelos describe correctamente la materia de las estrellas de neutrones en la naturaleza.

Fusiones de estrellas de neutrones binarias, como GW170817, que se observó en ondas gravitacionales y en todo el espectro electromagnético en agosto de 2017, son los eventos astrofísicos más emocionantes cuando se trata de aprender más sobre la materia en condiciones extremas y la física nuclear subyacente. De esto, los científicos, a su vez, pueden determinar las propiedades físicas de las estrellas de neutrones, como su radio y masa.

El equipo de investigación utilizó un modelo basado en una descripción de los primeros principios de cómo las partículas subatómicas interactúan en las altas densidades que se encuentran dentro de las estrellas de neutrones. Notablemente, como muestra el equipo, Los cálculos teóricos a escalas de longitud de menos de una billonésima de milímetro pueden compararse con las observaciones de un objeto astrofísico a más de cien millones de años luz de distancia.

"Es un poco alucinante, "dice Capano." GW170817 fue causado por la colisión de dos objetos del tamaño de una ciudad hace 120 millones de años, cuando los dinosaurios caminaban por aquí en la Tierra. Esto sucedió en una galaxia a mil millones de billones de kilómetros de distancia. A partir de ese, hemos adquirido conocimientos sobre la física subatómica ".

¿Qué tamaño tiene una estrella de neutrones?

La descripción de los primeros principios utilizada por los investigadores predice una familia completa de posibles ecuaciones de estado para las estrellas de neutrones, que se derivan directamente de la física nuclear. De esta familia los autores seleccionaron aquellos miembros que tienen más probabilidades de explicar diferentes observaciones astrofísicas; eligieron modelos

• que concuerdan con las observaciones de ondas gravitacionales de GW170817 de datos públicos de LIGO y Virgo,
• que producen una estrella de neutrones hipermasiva de corta duración como resultado de la fusión, y
• que concuerdan con las restricciones conocidas sobre la masa máxima de estrellas de neutrones a partir de las observaciones electromagnéticas de la contraparte de GW170817.

Esto no solo permitió a los investigadores obtener información sólida sobre la física de la materia densa, sino también para obtener los límites más estrictos sobre el tamaño de las estrellas de neutrones hasta la fecha.

Observaciones futuras de ondas gravitacionales y de múltiples mensajeros

"Estos resultados son emocionantes, no solo porque hemos podido mejorar enormemente las mediciones de los radios de las estrellas de neutrones, pero debido a que nos da una ventana al destino final de las estrellas de neutrones en la fusión de binarios, "dice Stephanie Brown, coautor de la publicación y Ph.D. estudiante en el AEI Hannover. Los nuevos resultados implican que, con un evento como GW170817, los detectores LIGO y Virgo con sensibilidad de diseño podrán distinguir fácilmente, solo de ondas gravitacionales, si se han fusionado dos estrellas de neutrones o dos agujeros negros. Para GW170817, las observaciones en el espectro electromagnético fueron cruciales para hacer esa distinción.

El equipo de investigación también encuentra que para binarios mixtos (una estrella de neutrones que se fusiona con un agujero negro), Las observaciones de fusión de ondas gravitacionales por sí solas tendrán dificultades para distinguir tales eventos de los agujeros negros binarios. Las observaciones en el espectro electromagnético o las ondas gravitacionales posteriores a la fusión serán cruciales para diferenciarlas.

Sin embargo, resulta que los nuevos resultados también implican que es poco probable que ocurran observaciones de múltiples mensajeros de fusiones binarias mixtas. "Hemos demostrado que en casi todos los casos la estrella de neutrones no será destrozada por el agujero negro y más bien se la tragará entera, "explica Capano." Sólo cuando el agujero negro es muy pequeño o gira rápidamente, ¿Puede romper la estrella de neutrones antes de tragarla? y sólo entonces podemos esperar ver algo más que ondas gravitacionales ".

Un futuro brillante por delante

En la próxima década, los detectores de ondas gravitacionales existentes se volverán aún más sensibles, y los detectores adicionales comenzarán a observar. El equipo de investigación espera detecciones de ondas gravitacionales más fuertes y posibles observaciones de múltiples mensajeros de la fusión de estrellas de neutrones binarios. Cada una de estas fusiones brindaría maravillosas oportunidades para aprender más sobre las estrellas de neutrones y la física nuclear.