Astrofísica de las colisiones de estrellas de neutrones

Representación artística: En una fusión de estrellas de neutrones se producen temperaturas y densidades extremas. Crédito: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Un nuevo estudio dirigido por científicos de GSI y colegas internacionales investiga la formación de agujeros negros en estrella neutrón fusiones. Las simulaciones por computadora muestran que las propiedades de la materia nuclear densa juegan un papel crucial, que vincula directamente el evento de fusión astrofísica con los experimentos de colisión de iones pesados ​​en GSI y FAIR. Estas propiedades se estudiarán con mayor precisión en las futuras instalaciones de FAIR. Los resultados se han publicado ahora en Physical Review Letters. Con la concesión del Premio Nobel de Física 2020 por la descripción teórica de los agujeros negros y por el descubrimiento de un objeto supermasivo en el centro de nuestra galaxia, el tema también recibe mucha atención en la actualidad.

Pero bajo qu condiciones calabozo realmente forma? Esta es la cuestión central de un estudio dirigido por GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt dentro de una colaboración internacional. Usando simulaciones por computadora, los científicos se enfocan en un proceso particular para formar agujeros negros, a saber, la fusión de dos estrellas de neutrones (animación de simulación a continuación).

Las estrellas de neutrones se componen de materia densa muy comprimida. La masa de una masa solar y media se comprime al tamaño de unos pocos kilómetros. Esto corresponde a densidades similares o incluso más altas que en el interior de los núcleos atómicos. Si dos estrellas de neutrones se fusionan, la materia se comprime adicionalmente durante la colisión. Esto lleva al remanente de la fusión al borde de colapsar en un agujero negro. Los agujeros negros son los objetos más compactos del universo, ni siquiera la luz puede escapar, por lo que estos objetos no se pueden observar directamente.

“El parámetro crítico es la masa total de las estrellas de neutrones. Si supera un cierto umbral, el colapso en un agujero negro es inevitable ”, resume el Dr. Andreas Bauswein del departamento de teoría de GSI. Sin embargo, la masa umbral exacta depende de las propiedades de la materia nuclear muy densa. En detalle, estas propiedades de la materia de alta densidad aún no se comprenden completamente, razón por la cual los laboratorios de investigación como GSI chocan con núcleos atómicos, como una fusión de estrellas de neutrones, pero en una escala mucho menor. De hecho, las colisiones de iones pesados ​​conducen a condiciones muy similares a las de las fusiones de estrellas de neutrones. Con base en desarrollos teóricos y experimentos físicos de iones pesados, es posible calcular ciertos modelos de materia de estrellas de neutrones, las llamadas ecuaciones de estado.

Empleando numerosas de estas ecuaciones de estado, el nuevo estudio calculó la masa umbral para la formación de agujeros negros. Si la materia de la estrella de neutrones o la materia nuclear, respectivamente, es fácilmente comprimible, si la ecuación de estado es “blanda”, la fusión de estrellas de neutrones relativamente ligeras conduce a la formación de un agujero negro. Si la materia nuclear es “más rígida” y menos compresible, el remanente se estabiliza contra el llamado colapso gravitacional y se forma un remanente masivo de estrella de neutrones rotatorios a partir de la colisión. Por tanto, la masa umbral para el colapso informa sobre las propiedades de la materia de alta densidad. El nuevo estudio reveló además que el umbral al colapso puede incluso aclarar si durante la colisión el nucleón se disuelve en sus constituyentes, los quarks.

“Estamos muy entusiasmados con estos resultados porque esperamos que las observaciones futuras puedan revelar la masa umbral”, añade el profesor Nikolaos Stergioulas del departamento de física de la Universidad Aristóteles de Tesalónica en Grecia. Hace solo unos años se observó por primera vez una fusión de estrellas de neutrones midiendo ondas gravitacionales de la colisión. Los telescopios también encontraron la “contraparte electromagnética” y detectaron la luz del evento de fusión. Si se forma un agujero negro directamente durante la colisión, la emisión óptica de la fusión es bastante tenue. Por lo tanto, los datos de observación indican si se creó un agujero negro. Al mismo tiempo, la señal de ondas gravitacionales transporta información sobre la masa total del sistema. Cuanto más masivas son las estrellas, más fuerte es la señal de la onda gravitacional, lo que permite determinar la masa umbral.

Mientras los detectores de ondas gravitacionales y los telescopios esperan la próxima fusión de estrellas de neutrones, en Darmstadt se establece el rumbo hacia un conocimiento aún más detallado. La nueva instalación de aceleración FAIR, actualmente en construcción en GSI, creará condiciones que son aún más similares a las de las fusiones de estrellas de neutrones. Finalmente, solo la combinación de observaciones astronómicas, simulaciones por computadora y experimentos de iones pesados ​​pueden resolver las preguntas sobre los bloques de construcción fundamentales de la materia y sus propiedades y, con esto, también aclararán cómo ocurre el colapso en un agujero negro.

Referencia: “Ecuación de las restricciones estatales de la masa binaria de umbral para el colapso inmediato de las fusiones de estrellas de neutrones” por Andreas Bauswein, Sebastian Blacker, Vimal Vijayan, Nikolaos Stergioulas, Katerina Chatziioannou, James A. Clark, Niels-Uwe F. Bastian, David B Blaschke, Mateusz Cierniak y Tobias Fischer, 30 de septiembre de 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.141103