La fusión de estrellas de neutrones crea más oro que las colisiones que involucran agujeros negros

La más grande de las explosiones: impresión artística de una fusión de estrellas de neutrones. Agrandar. Crédito: NASA.

Las cantidades de elementos pesados ​​como el oro creadas cuando los agujeros negros se fusionan con las estrellas de neutrones se han calculado y comparado con las cantidades esperadas cuando los pares de estrellas de neutrones se fusionan. Los cálculos fueron realizados por Hsin-Yu Chen y Salvatore Vitale en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y Francois Foucart en la Universidad de New Hampshire utilizando simulaciones avanzadas y observaciones de ondas gravitacionales realizadas por la colaboración LIGO-Virgo. Sus resultados sugieren que la fusión de pares de estrellas de neutrones probablemente sea responsable de más elementos pesados ​​en el universo que las fusiones de agujeros negros con estrellas de neutrones.

Hoy en día, los astrofísicos tienen una comprensión incompleta de cómo se fabrican los elementos más pesados ​​que el hierro. En este proceso de nucleosíntesis, los núcleos más ligeros deben poder capturar neutrones de su entorno. Los astrofísicos creen que esto puede suceder de dos formas, cada una de las cuales produce aproximadamente la mitad de los elementos pesados ​​del universo. Estos son el proceso lento (proceso s) que ocurre en las estrellas grandes y el proceso rápido (proceso r), que se cree que ocurre en condiciones extremas como la explosión de una estrella en una supernova. Sin embargo, se debate acaloradamente dónde puede tener lugar exactamente el proceso r.

Un evento que podría apoyar el proceso r es la fusión de un par de estrellas de neutrones, que puede resultar en una gran explosión llamada kilonova. De hecho, LIGO – Virgo vio un evento de este tipo en 2017, y las observaciones simultáneas utilizando telescopios de luz sugieren que se crearon elementos pesados ​​en ese evento.

Interrupción gravitacional

Otra posibilidad es que el proceso r ocurra justo después de la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro. A medida que la estrella de neutrones es interrumpida por el enorme campo gravitacional del agujero negro, grandes cantidades de material rico en neutrones podrían ser lanzadas al espacio, proporcionando un entorno para el proceso r. Los astrofísicos creen que esto puede suceder cuando el agujero negro tiene una masa relativamente baja y gira a una velocidad relativamente alta. Si el agujero negro es demasiado pesado, la estrella de neutrones será tragada rápidamente y se escapará poco material rico en neutrones.

Hoy, sin embargo, los astrofísicos no están seguros de las contribuciones relativas de estos dos tipos de fusiones a la abundancia general de elementos pesados ​​del universo.

En última instancia, la cantidad de elementos pesados ​​producidos por estos eventos depende de varios factores: incluidas las masas y los giros de los cuerpos que se fusionan; la tasa de ocurrencia de los tipos de fusiones a lo largo de la historia del universo; y la «ecuación de estado» de la estrella de neutrones. Esta última describe la relación matemática entre la masa y el radio de una estrella de neutrones. A lo largo de los años, se han desarrollado una variedad de modelos para definir estas cantidades.

Ecuación de estado mejorada

En su estudio, Chen y sus colegas compararon las contribuciones de ambos tipos de fusiones por primera vez. Comenzaron estudiando las observaciones de LIGO-Virgo de los dos tipos diferentes de fusión. Luego, utilizaron las últimas simulaciones de eyecciones de estos eventos, incorporando ecuaciones mejoradas de medidas de estado, para probar varios modelos de cómo podría proceder el proceso r, que consideraron consistentes con las observaciones de LIGO-Virgo.

En la mayoría de los escenarios de simulación, los investigadores encontraron que las fusiones de estrellas de neutrones binarias produjeron de 2 a 100 veces más elementos pesados ​​en los últimos 2.500 millones de años que las fusiones entre agujeros negros y estrellas de neutrones. Este resultado solo cambió cuando los investigadores asumieron que los agujeros negros tienden a tener masas más bajas y giros más rápidos de lo que predicen las teorías actuales.

Chen y sus colegas ahora esperan mejorar sus cálculos utilizando futuras observaciones de los detectores LIGO y Virgo mejorados, y el nuevo detector KAGRA, que volverán a estar en línea en 2022. Estos esfuerzos podrían, en última instancia, mejorar las estimaciones de los astrónomos sobre las tasas a las que los elementos pesados se producen en todo el universo. A su vez, esto podría ayudarlos a determinar mejor las edades de las galaxias distantes, midiendo la abundancia de elementos pesados ​​que contienen.

La investigación se describe en The Astrophysical Journal.

Fuente: Physics World.

Artículo original:Merging neutron stars create more gold than collisions involving black holes‘. Sam Jarman. Nov 17, 2021.

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La detección de la primera Kilonova y la nueva era de la «Astronomía Multimensajero».

Esta imagen del instrumento MUSE, instalado en el VLT (Very Large Telescope) de ESO en el Observatorio Paranal, en Chile, muestra la galaxia NGC 4993, situada a unos 130 millones años luz de la Tierra. La galaxia en sí no es inusual, pero contiene algo nunca antes visto, las secuelas de la explosión de un par estrellas de neutrones que se han fusionado, un raro acontecimiento llamado kilonova (puede verse encima y ligeramente a la izquierda del centro de la galaxia). Esta fusión también produce ondas gravitacionales y rayos gamma, los cuales fueron detectados por LIGO-Virgo y Fermi/INTEGRAL respectivamente. Creando también un espectro para cada parte del objeto, MUSE nos permite ver la brillante emisión procedente del gas, que aquí aparece en rojo, y revela una sorprendente estructura espiral.
Crédito: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir.

La confirmación de un nuevo tipo de transitorio de distinto origen, la primera Kilonova el 17 de Agosto de 2017, evento resultante de la fusión de dos estrellas de neutrones detectado por primera vez por LIGO y a continuación por telescopios espaciales tanto de altas energías como en el rango óptico, y luego en tierra por  telescopios ópticos y radiotelescopios, abriendo una nueva era de la Astronomía, la «Astronomía Multimensajero» sumando el campo de las Ondas Gravitacionales al de las Electromagnéticas. El comunicado de prensa de ESO, con enlaces a los trabajos de investigación a que dio lugar el evento, es el siguiente:

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Sobre la primera detección de la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro

Si una estrella de neutrones y un agujero negro se fusionan en una galaxia distante y no hay nadie alrededor para escucharlo, ¿emite algún sonido? Se ha predicho que existe este tipo de fusión entre dos objetos compactos diferentes, pero nunca se ha observado, ¡hasta ahora! El 29 de junio de 2021, la Colaboración LIGO / Virgo / KAGRA anunció el descubrimiento de DOS fusiones binarias de agujeros negros de estrellas de neutrones (NSBH), ambas detectadas con solo 10 días de diferencia en enero de 2020. El siguiente artículo lo presenta en detalle:

Cómo hacer que brillen las Fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros

Las recientes detecciones de ondas gravitacionales (GW) han generado mucho entusiasmo en torno a la fusión de estrellas de neutrones (NS) con agujeros negros (BH). Sin embargo, aunque la primera detección de la fusión de estrellas de neutrones fue un tesoro de datos de observación tanto gravitacionales como electromagnéticos, todos los candidatos a la fusión BH-NS hasta ahora permanecen envueltos en la oscuridad. Todavía no se ha observado ninguna contraparte electromagnética (EM) «humeante» de un evento de fusión NS-BH. Las detecciones conjuntas de GW-EM son importantes porque diferentes mensajeros transportan diferentes piezas de información, lo que nos ayuda a pintar una imagen coherente de la fuente.

Quizás esto no sea sorprendente: una fusión BH-NS puede no producir ninguna contraparte EM, ¡y mucho menos una que sea lo suficientemente brillante como para observar! El BH puede simplemente tragar a la NS entera, sin el brillo revelador de una kilonova.

Entonces, ¿cuándo podemos esperar encontrar una contraparte? ¿Y estas kilonovas se verían muy diferentes de las producidas en fusiones NS binarias? Abundan las preguntas sobre la naturaleza de la emisión EM de las fusiones BH-NS. El artículo siguiente investiga las contrapartes EM de estos eventos para una variedad de propiedades binarias, revelando patrones interesantes (¡y a veces sutiles!).

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Crédito:
 NASA, ESA y D. Player (STSci).

Hace mucho tiempo y muy lejos en el universo, una enorme explosión de rayos gamma liberó mucha energía en medio segundo. Esa cantidad de energía es similar a la que producirá el Sol durante toda su vida de 10 mil millones de años.

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