¿Qué sucede cuando las estrellas de neutrones chocan?

En la revista se publicó un artículo que describe las simulaciones realizadas por un equipo de investigación dirigido por físicos de Penn State. Cartas de revisión física.

“Por primera vez en 2017, observamos una variedad de señales aquí en la Tierra, incluidas ondas gravitacionales, provenientes de la fusión de una estrella de neutrones binaria”, dijo el investigador postdoctoral Pedro Luis Espino de Penn State y la Universidad de California, Berkeley. dirigió la investigación. “Esto llevó a un enorme aumento en el interés en la astrofísica de las estrellas de neutrones binarias. No hay manera de reproducir estos eventos en el laboratorio para estudiarlos experimentalmente, entonces, ¿qué sucede durante las fusiones de estrellas de neutrones binarias? La mejor ventana que tenemos para entender lo que sucede?” es a través de simulaciones basadas en las matemáticas derivadas de la teoría de la relatividad general de Einstein”.

Las estrellas de neutrones reciben su nombre porque se cree que están compuestas casi en su totalidad por neutrones, partículas sin carga que se combinan con protones cargados positivamente y electrones cargados negativamente para formar átomos. Se cree que su increíble densidad (sólo los agujeros negros son más pequeños y más densos) une protones y electrones para formar neutrones. Una estrella de neutrones típica está a sólo decenas de kilómetros de distancia, pero tiene una masa una vez y media mayor que la de nuestro Sol, que está a aproximadamente 1,4 millones de kilómetros de distancia. Una cucharadita de material de estrella de neutrones puede pesar tanto como una montaña, decenas o cientos de millones de toneladas.

“Las estrellas de neutrones están efectivamente frías antes de la fusión. Si bien pueden tener miles de millones de grados Kelvin, su increíble densidad significa que este calor es absorbido por la energía del sistema”, dijo David Redis, profesor asistente de física y astrofísica. en el Eberly College of Science de Penn State y líder del equipo de investigación. “A medida que chocan, pueden calentarse mucho, la interfaz de las estrellas en colisión puede calentarse a temperaturas de billones de grados Kelvin. Sin embargo, son tan densas que los fotones no escapan para disipar el calor. Podrían salir; en lugar de eso, los fotones no escapan para disipar el calor. , creemos que se enfrían emitiendo neutrinos”.

Según los investigadores, los neutrinos se producen durante las colisiones cuando los neutrones de las estrellas chocan entre sí y explotan en protones, electrones y neutrinos. Qué sucede en estos momentos iniciales tras la colisión ha sido una cuestión abierta en astrofísica.

Para intentar responder a esta pregunta, el equipo de investigación creó simulaciones que requieren enormes cantidades de potencia informática y que modelan la fusión de estrellas de neutrones binarias y toda la física asociada. Las simulaciones mostraron por primera vez que, aunque sea brevemente, incluso los neutrinos pueden quedar atrapados por el calor y la densidad de las fusiones. Los neutrinos calientes están desequilibrados con el núcleo más frío de la estrella y pueden interactuar con la materia interestelar.

“Estos eventos extremos amplían los límites de nuestra comprensión de la física y estudiarlos nos brinda la oportunidad de aprender cosas nuevas”, dijo Radis. “El período en el que las estrellas que se fusionan están fuera de equilibrio es de sólo 2 a 3 milisegundos, pero al igual que la temperatura, el tiempo aquí es relativo, el período orbital de las dos estrellas antes de la fusión puede ser inferior a 1 milisegundo. “La fase de equilibrio es cuando La física más interesante ocurre una vez que el sistema vuelve al equilibrio, la física se comprende mejor”.

Los investigadores explicaron que las interacciones físicas precisas que ocurren durante la fusión pueden afectar los tipos de señales que se pueden ver en la Tierra a partir de fusiones de estrellas binarias.

“La forma en que los neutrinos interactúan con la materia de las estrellas y finalmente son expulsados ​​puede afectar las oscilaciones de los restos fusionados de las dos estrellas, lo que a su vez puede afectar cómo cambian las fuerzas electromagnéticas y gravitacionales de la fusión. “¿Cómo se ven las señales de ondas gravitacionales cuando llegan aquí a la Tierra”, dijo Espino. “Los detectores de ondas gravitacionales de próxima generación pueden diseñarse para buscar este tipo de diferencias de señal. Por lo tanto, estas simulaciones desempeñan un papel importante al permitirnos obtener información sobre estos eventos extremos, al tiempo que informan sobre experiencias y observaciones futuras en una especie de retroalimentación. bucle.”

Además de Espino y Radice, el equipo de investigación incluye a Peter Hammond y Rosella Gamba, académicos postdoctorales en Penn State. Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa y Luis Felipe Longo Micchi en Friedrich-Schiller-Universität Jena en Alemania; y Albino Perego en la Universidad de Trento en Italia.

Financiamiento de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.; Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), Oficina de Ciencias, División de Física Nuclear; Deutsche Forschungsgemeinschaft; Y las iniciativas EU Horizon 2020 y Europe Horizon apoyaron esta investigación. Las simulaciones se realizaron en las supercomputadoras Bridges2, Expanse, Frontera y Perlmutter. La investigación utilizó recursos del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE respaldada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Los autores agradecen al Centro Gauss de Supercomputación eV por financiar este proyecto proporcionando tiempo de computación en la supercomputadora GCS SuperMUC-NG en el Centro de Supercomputación Leibniz.