Mina de oro de colisión de estrellas de neutrones

Un equipo de investigación internacional modela por primera vez las diferentes firmas de una explosión de kilonova simultáneamente

Las estrellas de neutrones son el producto final de estrellas masivas y concentran una gran parte de la masa estelar original en una estrella superdensa con un diámetro de sólo unos diez kilómetros. El 17 de agosto de 2017, los investigadores observaron por primera vez las múltiples firmas de una fusión explosiva de dos estrellas de neutrones en órbita: ondas gravitacionales y enormes explosiones de radiación, incluida una explosión de rayos gamma. Un equipo de investigación internacional ha desarrollado un método para modelar simultáneamente estas señales observables de una kilonova. Esto les permite describir con precisión qué sucede exactamente durante una fusión, cómo se comporta la materia nuclear en condiciones extremas y por qué se debe haber creado oro en la Tierra en tales eventos.

Utilizando una nueva herramienta de software, un equipo formado por el Instituto Max Planck de Física Gravitacional y la Universidad de Potsdam pudo interpretar simultáneamente los distintos tipos de datos astrofísicos de una kilonova. Además, se pueden utilizar datos de observaciones de radio y rayos X de otras estrellas de neutrones, cálculos de física nuclear e incluso datos de experimentos de colisiones de iones pesados ​​en aceleradores terrestres. Hasta ahora, las diferentes fuentes de datos se han analizado por separado y los datos se han interpretado utilizando diferentes modelos físicos en algunos casos. «Al analizar los datos de forma coherente y simultánea, obtenemos resultados más precisos», afirma Peter TH Pang, científico de la Universidad de Utrecht. «Nuestro nuevo método ayudará a analizar las propiedades de la materia en densidades extremas. También nos permitirá comprender mejor la expansión del universo y en qué medida se forman elementos pesados ​​durante las fusiones de estrellas de neutrones», explica Tim Dietrich, profesor de la Universidad de Potsdam y jefe de un grupo de becarios Max Planck en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional.

Condiciones extremas en un laboratorio cósmico

Una estrella de neutrones es un objeto astrofísico superdenso formado al final de la vida de una estrella masiva en una explosión de supernova. Al igual que otros objetos compactos, algunas estrellas de neutrones orbitan entre sí en sistemas binarios. Pierden energía a través de la emisión constante de ondas gravitacionales (pequeñas ondas en el tejido del espacio-tiempo) y eventualmente chocan. Estas fusiones permiten a los investigadores estudiar principios físicos en las condiciones más extremas del universo. Por ejemplo, las condiciones de estas colisiones de alta energía conducen a la formación de elementos pesados ​​como el oro. De hecho, las estrellas de neutrones fusionadas son objetos únicos para estudiar las propiedades de la materia en densidades mucho más altas que las que se encuentran en los núcleos atómicos.

El nuevo método se aplicó a la primera y hasta ahora única observación con múltiples mensajes de fusiones de estrellas de neutrones binarias. En este evento, descubierto el 17 de agosto de 2017, las últimas miles de órbitas de las estrellas entre sí distorsionaron el espacio-tiempo lo suficiente como para crear ondas gravitacionales, que fueron detectadas por los observatorios terrestres de ondas gravitacionales Advanced LIGO y Advanced Virgo. Cuando las dos estrellas se fusionaron, los elementos pesados ​​recién formados fueron expulsados. Algunos de estos elementos se desintegraron radiactivamente, provocando un aumento de temperatura. Activada por esta radiación térmica, se detectó una señal electromagnética en las bandas óptica, infrarroja y ultravioleta hasta dos semanas después de la colisión. Una explosión de rayos gamma, también provocada por la fusión de estrellas de neutrones, expulsó material adicional. La reacción de la materia de las estrellas de neutrones con el medio circundante produjo emisiones de radio y rayos X que podrían monitorearse en escalas de tiempo que van desde días hasta años.

Resultados más precisos para futuras detecciones

Los detectores de ondas gravitacionales se encuentran actualmente en su cuarta fase de observación. La próxima detección de una fusión de estrellas de neutrones podría ocurrir en cualquier día, y los investigadores esperan ansiosamente poder utilizar la herramienta que desarrollaron.