Ahora que los científicos pueden detectar las distorsiones ondulantes en el espacio-tiempo creadas por la fusión de agujeros negros masivos, están poniendo su mirada en la dinámica y las secuelas de otros dúos cósmicos que se unen en colisiones catastróficas.

Trabajando con un equipo internacional, Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han desarrollado nuevos modelos informáticos para explorar lo que sucede cuando un agujero negro se une con una estrella de neutrones, el remanente superdenso de una estrella explotada.

Usando supercomputadoras para abrir estrellas de neutrones

Las simulaciones, llevado a cabo en parte en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab (NERSC), están destinados a ayudar a los detectores a localizar las señales de ondas gravitacionales. Telescopios también, puede buscar los estallidos brillantes de rayos gamma y el resplandor de la materia radiactiva que estos eventos exóticos pueden arrojar al espacio circundante.

En artículos separados publicados en una edición especial de la revista científica Gravedad clásica y cuántica , Berkeley Lab y otros investigadores presentan los resultados de simulaciones detalladas.

Uno de los estudios modela los primeros milisegundos (milésimas de segundo) en la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones, y los otros detalles separan simulaciones que modelan la formación de un disco de material formado segundos después de la fusión, y de la evolución de la materia que se expulsa en la fusión.

Esa materia expulsada probablemente incluye oro y platino y una variedad de elementos radiactivos que son más pesados ​​que el hierro.

Cualquier nueva información que los científicos puedan recopilar sobre cómo las estrellas de neutrones se desgarran en estas fusiones puede ayudar a descubrir sus secretos. ya que su estructura interna y su probable papel en la siembra del universo con elementos pesados ​​todavía están envueltos en un misterio.

"Estamos agregando constantemente física más realista a las simulaciones, "dijo - Foucart, quien se desempeñó como autor principal de uno de los estudios como investigador postdoctoral en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab.

"Pero todavía no sabemos qué está sucediendo dentro de las estrellas de neutrones. La complicada física que necesitamos modelar hace que las simulaciones sean muy intensivas desde el punto de vista computacional".

Encontrar signos de una fusión de estrellas de neutrones y agujero negro

Foucart, quien pronto será profesor asistente en la Universidad de New Hampshire, adicional, "Estamos tratando de avanzar más hacia la creación de modelos de las señales de ondas gravitacionales producidas por estas fusiones, "que crean una ondulación en el espacio-tiempo que los investigadores esperan que se pueda detectar con mejoras en la sensibilidad de los experimentos, incluido Advanced LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser.

En febrero de 2016, Los científicos de LIGO confirmaron la primera detección de una onda gravitacional, se cree que se genera por la fusión de dos agujeros negros, cada uno con masas unas 30 veces más grandes que el sol.

Se espera que las señales de una estrella de neutrones que se fusiona con agujeros negros u otra estrella de neutrones generen ondas gravitacionales que son ligeramente más débiles pero similares a las de las fusiones agujero negro-agujero negro. Dijo Foucart.

'Residuos' radiactivos en el espacio

Daniel Kasen, un científico de la División de Ciencias Nucleares en Berkeley Lab y profesor asociado de física y astronomía en UC Berkeley que participó en la investigación, dijo que dentro de las estrellas de neutrones "puede haber estados exóticos de la materia que no se parecen a nada que se haya realizado en cualquier otro lugar del universo".

En algunas simulaciones por computadora, las estrellas de neutrones fueron tragadas enteras por el agujero negro, mientras que en otros había una fracción de materia arrojada al espacio. Se estima que esta materia expulsada varía hasta aproximadamente una décima parte de la masa del sol.

Si bien gran parte de la materia es absorbida por el agujero negro más grande que se forma a partir de la fusión, "el material que se arroja eventualmente se convierte en una especie de 'desecho radioactivo, '", dijo." Se puede ver el resplandor radiactivo de ese material durante un período de días o semanas, a más de cien millones de años luz de distancia ". Los científicos se refieren a este resplandor radiactivo observable como una" kilonova ".

Las simulaciones utilizan diferentes conjuntos de cálculos para ayudar a los científicos a visualizar cómo la materia escapa de estas fusiones. Modelando la velocidad, trayectoria, cantidad y tipo de materia, e incluso el color de la luz que emite, los astrofísicos pueden aprender a rastrear eventos reales.

El extraño mundo de las estrellas de neutrones

El rango de tamaño de las estrellas de neutrones está establecido por el límite máximo sobre la densidad de la materia que se puede compactar, y las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más superdensos que conocemos en el universo.

Se ha observado que las estrellas de neutrones tienen masas de al menos dos veces la de nuestro sol, pero miden solo unas 12 millas de diámetro. de media, mientras que nuestro propio sol tiene un diámetro de aproximadamente 865, 000 millas. En masas suficientemente grandes, quizás unas tres veces la masa del sol, Los científicos esperan que las estrellas de neutrones colapsen para formar agujeros negros.

Se estima que una pulgada cúbica de materia de una estrella de neutrones pesa hasta 10 mil millones de toneladas. Como sugiere su nombre, Se cree que las estrellas de neutrones están compuestas en gran parte por partículas subatómicas con carga neutra llamadas neutrones, y algunos modelos esperan que contengan largas hebras de materia, conocidas como "pasta nuclear", formadas por núcleos atómicos que se unen.

También se espera que las estrellas de neutrones sean casi perfectamente esféricas, con una corteza rígida e increíblemente suave y un campo magnético ultrapotente. Pueden girar a una velocidad de aproximadamente 43, 000 revoluciones por minuto (RPM), o unas cinco veces más rápido que las RPM del motor de un coche de carreras de NASCAR.

Las secuelas de las fusiones de estrellas de neutrones

Las simulaciones de los investigadores mostraron que la materia radiactiva que escapa por primera vez de las fusiones de agujeros negros puede estar viajando a velocidades de aproximadamente 20, 000 a 60, 000 millas por segundo, o hasta aproximadamente un tercio de la velocidad de la luz, ya que se balancea en una larga "cola de marea".

"Este sería un material extraño que está cargado de neutrones, ", Dijo Kasen." A medida que ese material en expansión se enfría y se descomprime, las partículas pueden combinarse para formar los elementos más pesados ​​”. Esta última investigación muestra cómo los científicos pueden encontrar estos brillantes haces de elementos pesados.

"Si podemos hacer un seguimiento de las detecciones de LIGO con telescopios y captar un brillo radiactivo, podemos finalmente presenciar el lugar de nacimiento de los elementos más pesados ​​del universo, ", dijo." Eso respondería a una de las preguntas más antiguas de la astrofísica ".

Se espera que la mayor parte de la materia en una fusión de estrella de neutrones y agujero negro sea absorbida por el agujero negro dentro de un milisegundo de la fusión. y es probable que otra materia que no se deseche en la fusión forme una delgada, halo de materia en forma de rosquilla.

El delgado, Se espera que se forme un disco caliente de materia que está unido por el agujero negro dentro de unos 10 milisegundos de la fusión, y estar concentrado dentro de aproximadamente 15 a 70 millas de él, las simulaciones mostradas. Estos primeros 10 milisegundos parecen ser clave en la evolución a largo plazo de estos discos.

En escalas de tiempo que van desde decenas de milisegundos a varios segundos, el disco caliente se extiende y lanza más materia al espacio. "Varios procesos físicos, desde campos magnéticos hasta interacciones de partículas y reacciones nucleares, se combinan de formas complejas para impulsar la evolución del disco, "dijo Rodrigo Fernández, profesor asistente de física en la Universidad de Alberta en Canadá que dirigió uno de los estudios.

Las simulaciones realizadas en la supercomputadora Edison de NERSC fueron cruciales para comprender cómo expulsa la materia el disco y proporcionar pistas sobre cómo observar esta materia. dijo Fernández, ex investigador postdoctoral de UC Berkeley.

¿Que sigue?

Finalmente, Es posible que los astrónomos que escanean el cielo nocturno encuentren la "aguja en un pajar" de kilonovas radiactivas de fusiones de estrellas de neutrones que se habían perdido en los datos de LIGO. Dijo Kasen.

"Con modelos mejorados, somos más capaces de decirles a los observadores exactamente qué destellos de luz son las señales que están buscando, ", dijo. Kasen también está trabajando para construir modelos cada vez más sofisticados de fusiones de estrellas de neutrones y supernovas a través de su participación en el Proyecto de Computación Exascale del DOE.

A medida que mejora la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales, Foucart dijo:puede ser posible detectar una señal continua producida por incluso un pequeño golpe en la superficie de una estrella de neutrones, por ejemplo, o señales de objetos unidimensionales teorizados conocidos como cuerdas cósmicas.

"Esto también podría permitirnos observar eventos que ni siquiera hemos imaginado, " él dijo.