Algunos de los espectáculos de luz más energéticos y misteriosos del universo, largas ráfagas de rayos gamma, podrían generarse después de que densas estrellas muertas colisionen para crear pequeños agujeros negros rodeados por un disco natal de gas y polvo.
Esta es la conclusión de un equipo de investigadores que utilizó simulaciones por computadora para demostrar que cuando las estrellas de neutrones (estrellas densas y extremadamente muertas creadas cuando las estrellas masivas se quedan sin combustible nuclear) chocan y se fusionan, se produce un largo período de tiempo. explosión de rayos gamma puede ser lanzado junto con los vientos y chorros de partículas energéticas del evento.
Estos resultados podrían ayudar a los astrónomos a explicar la existencia de estrellas largas y extrañas. rayo gamma explosiones que no pueden vincularse al colapso de estrellas masivas que, además de crear estrellas de neutrones, también pueden generar estrellas de masa estelar agujeros negros.
«Nuestros hallazgos, que conectan las observaciones con la física subyacente, han unificado muchos misterios sin resolver en el campo de los estallidos de rayos gamma», dijo Ore Gottlieb, autor principal de la investigación y científico de la Centro de Astrofísica Computacional (CCA), dijo en un comunicado. «Por primera vez, podemos observar observaciones de estallidos de rayos gamma y saber qué sucedió antes de que se formara el agujero negro».
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Resolviendo un largo rompecabezas de explosión de rayos gamma
Los estallidos de rayos gamma se detectaron por primera vez a finales de la década de 1960 y desde entonces han planteado a los científicos un enigma duradero, ya que el mecanismo exacto que crea estos estallidos de luz de alta energía sigue siendo un misterio.
El panorama se complica aún más por el hecho de que hay dos poblaciones distintas de estallidos de rayos gamma: estallidos de corta duración que no duran más de un segundo y estallidos de larga duración, que pueden durar más de 10 segundos.
Inicialmente, los físicos asociaron breves estallidos de rayos gamma con chorros lanzados durante Estrella neutrón fusiones, que también generan destellos de luz llamados kilonovas y crear las llamadas «estrellas de neutrones hipermasivas» que rápidamente colapsan para dar lugar a agujeros negros. Por otro lado, se han atribuido largas ráfagas de rayos gamma a chorros de materia liberados en el colapso de estrellas masivas en rotación, dando origen a agujeros negros o estrellas de neutrones.
Sin embargo, en 2022, los astrónomos descubrieron dos largos estallidos de rayos gamma que no coincidían con los patrones de otros estallidos de radiación de este tipo. Por lo tanto, estas explosiones no podrían producirse en el colapso de una estrella masiva, argumentaron los científicos. Esto es lo que llevó por primera vez a los expertos a especular que las colisiones cósmicas también podrían crear largos estallidos de rayos gamma en determinadas circunstancias.
Gottlieb y sus colegas pasaron meses ejecutando sofisticadas simulaciones con supercomputadoras del Instituto Flatiron para ver si tal hipótesis era cierta y si las fusiones podrían efectivamente desencadenar largos estallidos de rayos gamma.
Las simulaciones comienzan con dos objetos compactos orbitando entre sí, luego giran en espiral, chocan y se fusionan. Tras la fusión, el evento lanza chorros de materia a velocidades cercanas a la de la luz. Luego, el equipo observó estos chorros en la simulación mientras se alejaban del epicentro del lugar de la fusión.
Combinando este modelo con datos recopilados de observaciones astronómicas, Gottlieb y sus colegas desarrollaron un modelo unificado para estallidos de rayos gamma, mostrando que se podrían crear ejemplos extraños de estallidos largos de rayos gamma después de fusiones de estrellas de neutrones. Esto sucedería, dicen, porque el cuerpo resultante de una fusión está rodeado por un disco giratorio de material sobrante que está cargado magnéticamente. Técnicamente, este anillo de material podría enviar largos estallidos de rayos gamma.
Curiosamente, el modelo también puede ayudar a los científicos a determinar cómo era el sistema que emitía estos estallidos de rayos gamma antes de la fusión.
«Si observamos una explosión larga de rayos gamma como las que se observaron en 2022, ahora sabemos que proviene de un agujero negro con un disco masivo», añadió Gottlieb. «Y sabiendo que hay un disco masivo, ahora podemos calcular la proporción de masa de los dos objetos principales porque su proporción de masa está relacionada con las propiedades del disco. Por ejemplo, la fusión de estrellas de neutrones de masas desiguales producirá inevitablemente un estallido de rayos gamma de larga duración».
El modelo desarrollado por el equipo no sólo es aplicable a largas explosiones de rayos gamma. Podría utilizarse para comprender mejor el proceso detrás del lanzamiento de estallidos cortos de rayos gamma. Gottlieband y el modelo del equipo pueden estar sugiriendo que estos estallidos de radiación de alta energía de corta duración podrían originarse a partir de discos más pequeños de materia alrededor de los agujeros negros.
O, alternativamente, podrían surgir breves ráfagas de rayos gamma de estrellas de neutrones hipermasivas inestables antes de colapsar rápidamente para dar lugar a agujeros negros, dice el equipo. Usar el modelo de esta manera requerirá que se refina y necesita más datos de observación de estallidos de rayos gamma. , que puede ocurrir cuando el Observatorio Vera C. Rubin comienza a observarse a principios de 2025.
«A medida que obtengamos más observaciones de estallidos de rayos gamma con diferentes duraciones de pulso, podremos sondear mejor los motores centrales que impulsan estos eventos extremos», concluyó Gottlieb.
La investigación fue publicada el 29 de noviembre en las Cartas del Astrophysical Journal.
