Cuando dos estrellas de neutrones chocan entre sí, el resultado es a veces un agujero negro que se traga todo menos la evidencia gravitacional de la colisión. Sin embargo, en una serie de simulaciones, Un equipo internacional de investigadores, incluido un científico de Penn State, determinó que estas colisiones normalmente silenciosas, al menos en términos de radiación que podemos detectar en la Tierra, a veces pueden ser mucho más ruidosas.

"Cuando dos estrellas de neutrones colapsadas increíblemente densas se combinan para formar un agujero negro, fuertes ondas gravitacionales emergen del impacto, "dijo David Radice, profesor asistente de física y de astronomía y astrofísica en Penn State y miembro del equipo de investigación. "Ahora podemos captar estas ondas usando detectores como LIGO en los Estados Unidos y Virgo en Italia. Un agujero negro típicamente se traga cualquier otra radiación que podría haber salido de la fusión que podríamos detectar en la Tierra". pero a través de nuestras simulaciones, descubrimos que puede que no siempre sea así ".

El equipo de investigación descubrió que cuando las masas de las dos estrellas de neutrones en colisión son lo suficientemente diferentes, el compañero más grande destroza al más pequeño. Esto provoca una fusión más lenta que permite que se escape una "explosión" electromagnética. Los astrónomos deberían poder detectar esta señal electromagnética, y las simulaciones proporcionan firmas de estas colisiones ruidosas que los astrónomos podrían buscar desde la Tierra.

El equipo de investigación que incluye miembros de la colaboración internacional CoRe (Relatividad Computacional), describen sus hallazgos en un artículo que aparece en línea en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .

"Recientemente, LIGO anunció el descubrimiento de un evento de fusión en el que las dos estrellas tienen masas posiblemente muy diferentes, ", dijo Radice." La principal consecuencia en este escenario es que esperamos esta contraparte electromagnética muy característica de la señal de onda gravitacional ".

Después de informar la primera detección de una fusión de estrellas de neutrones en 2017, en 2019, el equipo de LIGO informó el segundo, al que llamaron GW190425. El resultado de la colisión de 2017 fue más o menos lo que esperaban los astrónomos, con una masa total de aproximadamente 2,7 veces la masa de nuestro sol y cada una de las dos estrellas de neutrones aproximadamente igual en masa. Pero GW190425 era mucho más pesado, con una masa combinada de alrededor de 3,5 masas solares y la proporción de los dos participantes más desigual, posiblemente tan alta como 2 a 1.

"Si bien una diferencia de masa de 2 a 1 puede no parecer una gran diferencia, solo un pequeño rango de masas es posible para las estrellas de neutrones, "dijo Radice.

Las estrellas de neutrones solo pueden existir en un rango estrecho de masas entre aproximadamente 1,2 y 3 veces la masa de nuestro sol. Los remanentes estelares más ligeros no colapsan para formar estrellas de neutrones y en su lugar forman enanas blancas, mientras que los objetos más pesados ​​colapsan directamente para formar agujeros negros. Cuando la diferencia entre las estrellas fusionadas sea tan grande como en GW190425, los científicos sospecharon que la fusión podría ser más complicada y más ruidosa en la radiación electromagnética. Los astrónomos no habían detectado tal señal desde la ubicación de GW190425, pero la cobertura de esa área del cielo con telescopios convencionales ese día no fue lo suficientemente buena como para descartarla.

Para comprender el fenómeno de la colisión de estrellas de neutrones desiguales, y para predecir firmas de tales colisiones que los astrónomos podrían buscar, El equipo de investigación realizó una serie de simulaciones utilizando la plataforma Bridges del Pittsburgh Supercomputing Center y la plataforma Comet del San Diego Supercomputer Center, ambas en la red XSEDE de centros de supercomputación y computadoras de la National Science Foundation, y otras supercomputadoras.

Los investigadores encontraron que a medida que las dos estrellas de neutrones simuladas giraban en espiral una hacia la otra, la gravedad de la estrella más grande destrozó a su compañera. Eso significaba que la estrella de neutrones más pequeña no golpeó a su compañera más masiva de una vez. El vertido inicial de la materia de la estrella más pequeña convirtió a la más grande en un agujero negro. Pero el resto de su materia estaba demasiado lejos para que el agujero negro lo capturara de inmediato. En lugar de, la lluvia más lenta de materia en el agujero negro creó un destello de radiación electromagnética.

El equipo de investigación espera que la firma simulada que encontraron pueda ayudar a los astrónomos a usar una combinación de detectores de ondas gravitacionales y telescopios convencionales para detectar las señales emparejadas que presagiarían la ruptura de una estrella de neutrones más pequeña fusionándose con una más grande.

Las simulaciones requirieron una combinación inusual de velocidad de cálculo, cantidades masivas de memoria, y flexibilidad para mover datos entre la memoria y la computación. El equipo usó alrededor de 500 núcleos de computación, corriendo durante semanas a la vez, en unas 20 instancias distintas. Las numerosas cantidades físicas que debían tenerse en cuenta en cada cálculo requirieron aproximadamente 100 veces más memoria que una simulación astrofísica típica.

"Existe mucha incertidumbre en torno a las propiedades de las estrellas de neutrones, "dijo Radice." Para entenderlos, tenemos que simular muchos modelos posibles para ver cuáles son compatibles con las observaciones astronómicas. Una sola simulación de un modelo no nos diría mucho; necesitamos realizar una gran cantidad de simulaciones computacionalmente intensivas. Necesitamos una combinación de alta capacidad y alta capacidad que solo pueden ofrecer máquinas como Bridges. Este trabajo no habría sido posible sin el acceso a tales recursos de supercomputación nacionales ".