En un estudio publicado recientemente, un equipo de investigadores dirigido por el Centro de Excelencia ARC para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav) en la Universidad de Monash sugiere un método innovador para analizar las ondas gravitacionales de las fusiones de estrellas de neutrones, donde dos estrellas se distinguen por tipo (en lugar de masa), dependiendo de qué tan rápido estén girando.

Las estrellas de neutrones son objetos estelares extremadamente densos que se forman cuando las estrellas gigantes explotan y mueren:en la explosión, sus núcleos colapsan, y los protones y electrones se funden entre sí para formar una estrella de neutrones remanente.

En 2017, la fusión de dos estrellas de neutrones, llamado GW170817, fue observado por primera vez por los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo. Esta fusión es bien conocida porque los científicos también pudieron ver la luz producida a partir de ella:rayos gamma de alta energía, luz visible, y microondas. Desde entonces, Cada día se publica un promedio de tres estudios científicos sobre GW170817.

En enero de este año, las colaboraciones de LIGO y Virgo anunciaron un segundo evento de fusión de estrellas de neutrones llamado GW190425. Aunque no se detectó luz, este evento es particularmente intrigante porque las dos estrellas de neutrones fusionadas son significativamente más pesadas que GW170817, así como estrellas de neutrones dobles previamente conocidas en la Vía Láctea.

Los científicos utilizan señales de ondas gravitacionales, ondas en la estructura del espacio y el tiempo, para detectar pares de estrellas de neutrones y medir sus masas. La estrella de neutrones más pesada del par se llama "primaria"; el más ligero es "secundario".

El esquema de etiquetado lento reciclado de un sistema binario de estrellas de neutrones

Un sistema binario de estrellas de neutrones generalmente comienza con dos estrellas ordinarias, cada uno alrededor de diez a veinte veces más masivo que el Sol. Cuando estas estrellas masivas envejezcan y se queden sin 'combustible', sus vidas terminan en explosiones de supernovas que dejan restos compactos, o estrellas de neutrones. Cada estrella de neutrones remanente pesa alrededor de 1,4 veces la masa del Sol, pero tiene un diámetro de solo 25 kilómetros.

La primera estrella de neutrones generalmente pasa por un proceso de "reciclaje":acumula materia de su estrella emparejada y comienza a girar más rápido. La segunda estrella de neutrones no acumula materia; su velocidad de centrifugado también se ralentiza rápidamente. Para cuando las dos estrellas de neutrones se fusionen, millones a miles de millones de años después, se predice que el reciclado la estrella de neutrones todavía puede estar girando rápidamente, mientras que la otra estrella de neutrones no reciclada probablemente estará girando despacio .

Otra forma en que podría formarse un sistema binario de estrellas de neutrones es a través de interacciones que cambian continuamente en densos cúmulos estelares. En este escenario, dos estrellas de neutrones no relacionadas, por sí mismos o en otros sistemas estelares separados, encontrarse, emparejarse y finalmente fusionarse como una pareja feliz debido a sus ondas gravitacionales. Sin embargo, El modelado actual de los cúmulos estelares sugiere que este escenario es ineficaz para fusionar las estrellas de neutrones.

El investigador postdoctoral de OzGrav y autor principal del estudio Xingjiang Zhu dice:“La motivación para proponer el esquema de etiquetado lento reciclado de un sistema binario de estrellas de neutrones es doble. Primero, es una característica genérica esperada para las fusiones de estrellas de neutrones. Segundo, podría ser inadecuado etiquetar dos estrellas de neutrones como primarias y secundarias porque es más probable que tengan masas similares y es difícil decir cuál es más pesada ".

El reciente estudio de OzGrav da una nueva mirada tanto a GW170817 como a GW190425 al adoptar el esquema de reciclado lento. Se descubrió que la estrella de neutrones reciclada en GW170817 gira solo levemente o incluso lentamente, mientras que el de GW190425 gira rápidamente, posiblemente una vez cada 15 milisegundos. También se descubrió que es probable que ambos eventos de fusión contengan dos estrellas de neutrones de masa casi igual. Dado que hay poca o ninguna evidencia de giro en GW170817, y las estrellas de neutrones giran con el tiempo, los investigadores dedujeron que el binario probablemente tardó miles de millones de años en fusionarse. Esto concuerda bien con las observaciones de su galaxia anfitriona, llamado NGC 4993, donde se han encontrado pequeñas actividades de formación de estrellas en los últimos miles de millones de años.

El investigador asociado y colaborador de OzGrav, Gregory Ashton, dice:"Nuestro marco astrofísico propuesto nos permitirá responder preguntas importantes sobre el Universo, ¿Existen diferentes mecanismos de explosión de supernovas en la formación de estrellas de neutrones binarias? ¿Y en qué medida las interacciones dentro de densos cúmulos de estrellas contribuyen a formar fusiones de estrellas de neutrones? "

Los detectores LIGO / Virgo finalizaron su tercera ejecución conjunta de observación (O3) a principios de este año y actualmente están realizando mantenimiento y actualizaciones programados. Cuando la cuarta corrida (O4) comience en 2021, los científicos estarán anticipando rápidamente más descubrimientos de fusiones de estrellas de neutrones. La perspectiva será aún más brillante cuando el detector subterráneo japonés KAGRA y el detector LIGO-India se unan a la red global en los próximos años.

'Estamos en una era dorada de estudiar estrellas de neutrones binarios con detectores de ondas gravitacionales de alta sensibilidad que ofrecerán docenas de descubrimientos en los próximos años, 'agrega Zhu.