¿Qué sucede cuando las estrellas de neutrones colisionan?
Nuevas simulaciones muestran que los neutrinos creados durante estos cataclismos se encuentran brevemente fuera de equilibrio termodinámico con los fríos núcleos de las estrellas en fusión.
Por Sam Sholtis
Representación volumétrica de la densidad en una simulación de una fusión binaria de estrellas de neutrones. Una nueva investigación muestra que los neutrinos creados en la interfaz caliente entre las estrellas que se fusionan pueden quedar atrapados brevemente y permanecer fuera de equilibrio con los núcleos fríos de las estrellas que se fusionan durante dos o 3 milisegundos. Crédito: David Radice, Penn State
Cuando las estrellas colapsan, pueden dejar tras de sí restos increíblemente densos, pero relativamente pequeños y fríos, llamados estrellas de neutrones. Si dos estrellas colapsan en las proximidades, las estrellas binarias de neutrones sobrantes entran en espiral y acaban colisionando, y el punto de contacto donde las dos estrellas comienzan a fusionarse se vuelve increíblemente caliente.
Las nuevas simulaciones de estos sucesos muestran que los neutrinos calientes —partículas diminutas y esencialmente carentes de masa que rara vez interactúan con otra materia— que se crean durante la colisión pueden quedar atrapados brevemente en estas interfaces y permanecer fuera de equilibrio con los núcleos fríos de las estrellas en fusión durante 2 o 3 milisegundos.
Durante este tiempo, las simulaciones muestran que los neutrinos pueden interactuar débilmente con la materia de las estrellas, y ayudar a devolver las partículas al equilibrio y, de paso, aportar nuevos conocimientos sobre la física de estos poderosos fenómenos.
El artículo que describe las simulaciones, realizado por un equipo de investigación dirigido por físicos de la Universidad Estatal de Pensilvania (EE. UU.), ha sido publicado en la revista Physical Reviews Letters.
Las estrellas de neutrones reciben su nombre porque se cree que están compuestas casi en su totalidad por neutrones
"En 2017 observamos aquí en la Tierra, por primera vez, señales de varios tipos, incluidas ondas gravitacionales, de una fusión binaria de estrellas de neutrones —explica Pedro Luis Espino, investigador postdoctoral en la Penn State y la Universidad de California en Berkeley, y director de la investigación. Y añade—: Esto llevó a un gran aumento del interés en la astrofísica de estrellas de neutrones binarias. No hay forma de reproducir estos eventos en un laboratorio para estudiarlos experimentalmente, por lo que la mejor ventana que tenemos para comprender lo que sucede durante una fusión de estrellas de neutrones binarias es a través de simulaciones basadas en matemáticas que surgen de la teoría de la relatividad general de Einstein".
Dos estrellas de neutrones comienzan a fusionarse en esta ilustración, lanzando un chorro de partículas a gran velocidad y produciendo una nube de escombros. Crédito: Sonoma State Univ. / A. Simonnet / NASA
Las estrellas de neutrones reciben su nombre porque se cree que están compuestas casi en su totalidad por neutrones, las partículas sin carga que, junto con los protones —cargados positivamente— y los electrones —cargados negativamente—, forman los átomos. Se cree que su increíble densidad —solo los agujeros negros son más pequeños y densos— comprime protones y electrones, fusionándolos en neutrones.
Una estrella de neutrones típica tiene solo decenas de kilómetros de diámetro, pero encierra aproximadamente una vez y media la masa de nuestro sol, que tiene aproximadamente 1,4 millones de kilómetros de diámetro. Una cucharadita de material de estrella de neutrones puede pesar tanto como una montaña, decenas o cientos de millones de toneladas.
"Las estrellas de neutrones antes de la fusión son efectivamente frías, aunque pueden tener miles de millones de grados Kelvin, su increíble densidad significa que este calor contribuye muy poco a la energía del sistema— dice David Radice, profesor de Física y de Astronomía y Astrofísica en la Facultad de Ciencias Eberly, en la Penn State, y líder del equipo de investigación. Y añade—: A medida que colisionan, pueden calentarse mucho, y la interfaz de las estrellas en colisión puede alcanzar temperaturas de billones de grados Kelvin. Sin embargo, son tan densas que los fotones son incapaces de escapar para disipar el calor; en cambio, creemos que se enfrían emitiendo neutrinos".
Según los investigadores, los neutrinos se crean durante la colisión cuando los neutrones de las estrellas chocan entre sí y se separan en protones, electrones y neutrinos. Lo que sucede en esos primeros momentos después de una colisión ha sido un enigma para los astrofísicos.
Incluso los neutrinos pueden quedar atrapados por el calor y la densidad de la fusión estelar
Para tratar de resolverlo, el equipo de investigación creó simulaciones que requieren cantidades masivas de potencia de cálculo que modelan la fusión de estrellas de neutrones binarias y toda la física asociada a este cataclismo.
Las simulaciones mostraron por primera vez que, aunque sea brevemente, incluso los neutrinos pueden quedar atrapados por el calor y la densidad de la fusión. Los neutrinos calientes están fuera de equilibrio con los núcleos aún fríos de las estrellas y pueden interactuar con la materia de las estrellas.
"Estos eventos extremos amplían los límites de nuestra comprensión de la física, y estudiarlos nos permite aprender cosas nuevas — dice Radice. Y añade—: El período en el que las estrellas que se fusionan están fuera de equilibrio es solo de 2 a 3 milisegundos, pero al igual que la temperatura, el tiempo es relativo aquí, el período orbital de las dos estrellas antes de la fusión puede ser de tan solo 1 milisegundo. En esta breve fase de desequilibrio es cuando se produce la física más interesante, una vez que el sistema vuelve al equilibrio, la física se entiende mejor".
Los investigadores explicaron que las interacciones físicas precisas que se producen durante la fusión pueden influir en los tipos de señales que podrían observarse en la Tierra procedentes de fusiones de estrellas binarias.
"El modo en que los neutrinos interactúan con la materia de las estrellas y acaban emitiéndose puede influir en las oscilaciones de los restos fusionados de las dos estrellas, lo que a su vez puede influir en el aspecto de las señales electromagnéticas y de ondas gravitatorias de la fusión cuando nos llegan aquí, a la Tierra —explica Espino. Y concluye—: La próxima generación de detectores de ondas gravitatorias podría diseñarse para buscar este tipo de diferencias en las señales. De este modo, estas simulaciones desempeñan un papel crucial, ya que nos permiten comprender mejor estos fenómenos extremos y, al mismo tiempo, aportar información a futuros experimentos y observaciones en una especie de bucle de retroalimentación". ◾️
Información facilitada por la Penn State -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Pedro Luis Espino, Peter Hammond, David Radice, Sebastiano Bernuzzi, Rossella Gamba, Francesco Zappa, Luís Felipe Longo Micchi, and Albino Perego. Neutrino Trapping and Out-of-Equilibrium Effects in Binary Neutron-Star Merger Remnants. Physical Review Letters (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.211001
