Ahora que los científicos pueden detectar las distorsiones onduladas en el espacio-tiempo creadas por la fusión de los agujeros negros masivos, están poniendo su mira en la dinámica y las consecuencias de otros dúos cósmicos que se unen en colisiones catastróficas.
Trabajando con un equipo internacional, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab han desarrollado nuevos modelos de computadora para explorar lo que sucede cuando un agujero negro se une con una estrella de neutrones, el remanente superdenso de una estrella explotada.
Usando supercomputadoras para abrir estrellas de neutrones
Las simulaciones, realizadas en parte en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley NERSC, están destinadas a ayudar a los detectores a concentrarse en las señales de ondas gravitacionales. Los telescopios también pueden buscar las brillantes explosiones de rayos gammay el resplandor de la materia radiactiva que estos eventos exóticos pueden arrojar al espacio circundante.
en documentos separados publicados en una edición especial de la revista científica gravedad clásica y cuántica , Berkeley Lab y otros investigadores presentan los resultados de simulaciones detalladas.
Uno de los estudios modela los primeros milisegundos milésimas de segundo en la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones, y los otros detalles separan las simulaciones que modelan la formación de un disco de material formado a los pocos segundos de la fusión, yde la evolución de la materia que se expulsa en la fusión.
Esa materia expulsada probablemente incluye oro y platino y una gama de elementos radiactivos que son más pesados que el hierro.
Cualquier información nueva que los científicos puedan reunir sobre cómo las estrellas de neutrones se desgarran en estas fusiones puede ayudar a descubrir sus secretos, ya que su estructura interna y su probable papel en la siembra del universo con elementos pesados aún están envueltos en misterio.
"Estamos agregando constantemente física más realista a las simulaciones", dijo Foucart, quien se desempeñó como autor principal de uno de los estudios como investigador postdoctoral en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab.
"Pero todavía no sabemos qué está sucediendo dentro de las estrellas de neutrones. La física complicada que necesitamos modelar hace que las simulaciones sean muy intensivas en cómputo"
Encontrar signos de una fusión de estrellas de neutrones con agujero negro
Foucart, quien pronto será profesor asistente en la Universidad de New Hampshire, agregó: "Estamos tratando de avanzar más hacia la creación de modelos de las señales de ondas gravitacionales producidas por estas fusiones", que crean una ondulación en el espacio-tiempo que los investigadores esperan que se pueda detectar con mejoras en la sensibilidad de los experimentos, incluido Advanced LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser.
En febrero de 2016, los científicos de LIGO confirmaron la primera detección de una onda gravitacional, que se cree que fue generada por la fusión de dos agujeros negros, cada uno con masas aproximadamente 30 veces más grandes que el sol.
Se espera que las señales de una estrella de neutrones fusionándose con agujeros negros u otra estrella de neutrones generen ondas gravitacionales que son ligeramente más débiles pero similares a las de las fusiones de agujero negro y agujero negro, dijo Foucart.
'Residuos' radiactivos en el espacio
Daniel Kasen, científico de la División de Ciencias Nucleares en Berkeley Lab y profesor asociado de física y astronomía en UC Berkeley que participó en la investigación, dijo que dentro de las estrellas de neutrones "puede haber estados exóticos de la materia a diferencia de cualquier cosa realizada en cualquier otro lugar enel universo."
En algunas simulaciones por computadora, las estrellas de neutrones fueron tragadas enteras por el agujero negro, mientras que en otras había una fracción de materia expulsada al espacio. Se estima que esta materia expulsada alcanza aproximadamente una décima parte de la masa del sol.
Si bien gran parte de la materia es absorbida por el agujero negro más grande que se forma a partir de la fusión, "el material que se arroja finalmente se convierte en una especie de" residuo "radiactivo", dijo. "Se puede ver el brillo radiactivo deese material por un período de días o semanas, a más de cien millones de años luz de distancia ". Los científicos se refieren a este brillo radiactivo observable como una" kilonova ".
Las simulaciones usan diferentes conjuntos de cálculos para ayudar a los científicos a visualizar cómo la materia escapa de estas fusiones. Al modelar la velocidad, trayectoria, cantidad y tipo de materia, e incluso el color de la luz que emite, los astrofísicos pueden aprender a rastrearabajo eventos reales.
El extraño mundo de las estrellas de neutrones
El rango de tamaño de las estrellas de neutrones se establece por el límite final de cuán densamente se puede compactar la materia, y las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más densos que conocemos en el universo.
Se ha observado que las estrellas de neutrones tienen masas de al menos dos veces la de nuestro sol, pero miden aproximadamente 12 millas de diámetro, en promedio, mientras que nuestro propio sol tiene un diámetro de aproximadamente 865,000 millas. En masas lo suficientemente grandes, tal vezCerca de tres veces la masa del sol, los científicos esperan que las estrellas de neutrones se colapsen para formar agujeros negros.
Se estima que una pulgada cúbica de materia de una estrella de neutrones puede pesar hasta 10 mil millones de toneladas. Como su nombre indica, se cree que las estrellas de neutrones están compuestas en gran parte de partículas subatómicas cargadas de forma neutra llamadas neutrones, y algunos modelos esperan que contenganlargas hebras de materia, conocidas como "pasta nuclear", formadas por núcleos atómicos que se unen.
También se espera que las estrellas de neutrones sean casi perfectamente esféricas, con una corteza rígida e increíblemente suave y un campo magnético ultrapotente. Pueden girar a una velocidad de aproximadamente 43,000 revoluciones por minuto RPM, o aproximadamente cinco veces más rápido que un NASCARRPM del motor de carrera.
Las secuelas de las fusiones de estrellas de neutrones
Las simulaciones de los investigadores mostraron que la materia radiactiva que escapa por primera vez de las fusiones de agujeros negros puede estar viajando a velocidades de aproximadamente 20,000 a 60,000 millas por segundo, o hasta aproximadamente un tercio de la velocidad de la luz, ya que se alejauna larga "cola de marea"
"Este sería un material extraño que está cargado de neutrones", dijo Kasen. "A medida que ese material en expansión se enfría y descomprime, las partículas pueden combinarse para acumularse en los elementos más pesados". Esta última investigación muestra cómo los científicos podríanencuentre estos brillantes paquetes de elementos pesados.
"Si podemos hacer un seguimiento de las detecciones de LIGO con telescopios y captar un resplandor radiactivo, finalmente podremos presenciar el lugar de nacimiento de los elementos más pesados del universo", dijo. "Eso respondería a una de las preguntas más antiguas en astrofísica."
Se espera que la mayor parte de la materia en una fusión de estrellas de neutrones con agujero negro sea absorbida por el agujero negro dentro de un milisegundo de la fusión, y es probable que otra materia que no se arroje en la fusión forme una densidad extremadamente densa,halo delgado de materia en forma de rosquilla.
Se espera que el disco delgado y caliente de la materia que está unido por el agujero negro se forme dentro de aproximadamente 10 milisegundos de la fusión, y se concentre dentro de aproximadamente 15 a 70 millas de él, mostraron las simulaciones. Estos primeros 10 milisegundos aparecenser clave en la evolución a largo plazo de estos discos.
En escalas de tiempo que van desde decenas de milisegundos hasta varios segundos, el disco caliente se extiende y lanza más materia al espacio ". Varios procesos físicos, desde campos magnéticos hasta interacciones de partículas y reacciones nucleares, se combinan de maneras complejas para conducirla evolución del disco ", dijo Rodrigo Fernández, profesor asistente de física en la Universidad de Alberta en Canadá que dirigió uno de los estudios.
Las simulaciones realizadas en la supercomputadora Edison de NERSC fueron cruciales para comprender cómo expulsa el disco la materia y para proporcionar pistas sobre cómo observar este asunto, dijo Fernández, un ex investigador postdoctoral de UC Berkeley.
¿Qué sigue?
Eventualmente, es posible que los astrónomos escaneen el cielo nocturno para encontrar la "aguja en un pajar" de kilonovas radiactivas de las fusiones de estrellas de neutrones que se habían perdido en los datos LIGO, dijo Kasen.
"Con modelos mejorados, estamos en mejores condiciones para decirle a los observadores exactamente qué destellos de luz son las señales que están buscando", dijo. Kasen también está trabajando para construir modelos cada vez más sofisticados de fusiones de estrellas de neutrones y supernovas a través de su participaciónen el DOE Exascale Computing Project.
A medida que mejora la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales, dijo Foucart, es posible detectar una señal continua producida incluso por una pequeña protuberancia en la superficie de una estrella de neutrones, por ejemplo, o señales de objetos unidimensionales teorizados conocidoscomo cuerdas cósmicas.
"Esto también podría permitirnos observar eventos que ni siquiera hemos imaginado", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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