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Estrellas de neutrones fusionandose, 5 hechos establecidos

5 Datos que podemos aprender si LIGO detecta la fusión de estrellas de neutrones
Comenzó con una explosión
El Universo está ahí fuera, esperando a que lo descubras

 
Estrellas de neutrones fusionandose, 5 hechos establecidos
Representación 3D de las ondas gravitacionales emitidas por un sistema binario de estrellas de neutrones en la fusión. La región central (en densidad) se estira por un factor de ~ 5 para una mejor visibilidad. Crédito de la imagen: AEI Potsdam-Golm

Por Ethan Siegel, para Forbes Agosto 31 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel Colaborador de Forbes colaborador son propias.



Si hay una diferencia importante entre la relatividad general y la gravedad newtoniana, es ésta: en la teoría de Einstein, nada dura para siempre. Incluso si tuvieras dos masas perfectamente estables en órbita alrededor unas de otras - masas que nunca se quemaron, perdieron material o cambiaron de otra manera - sus órbitas eventualmente se pudrirían. Mientras que en la gravedad newtoniana, dos masas orbitan su centro de gravedad mutua por una eternidad, la relatividad nos dice que una pequeña cantidad de energía se pierde con cada momento que una masa es acelerada por el campo gravitatorio por el que pasa. Esa energía no desaparece, pero se deja llevar en forma de ondas gravitatorias. Durante períodos de tiempo suficientemente largos, se irradia suficiente energía para que esas dos masas en órbita se toquen y se fusionen. Tres veces, ahora, LIGO ha visto esto suceder para los agujeros negros. Pero puede estar a punto de dar el siguiente paso, y ver las estrellas de neutrones se fusionan por primera vez.


link: https://www.youtube.com/watch?v=dhS77N0tyEA

Cualquier masa atrapada en esta danza gravitatoria emitirá ondas gravitatorias, causando que sus órbitas se descompongan. La razón por la que LIGO ha detectado la fusión de agujeros negros son triples:

    [●]Son increíblemente masivos,

    [●●]Son los objetos más compactos del Universo,

    [●●●]Y orbitan con la frecuencia correcta, en las etapas finales de la fusión, para ser detectables por los brazos láser de LIGO.

Esa combinación - grandes masas, distancias cortas y el rango de frecuencia adecuado - le da al equipo LIGO una enorme área de búsqueda sobre la cual son sensibles a la fusión de agujeros negros. A muchos miles de millones de años luz de distancia, las ondulaciones de estos inspirales masivos se pueden sentir incluso aquí en la Tierra.

universo
A pesar de que los agujeros negros deben tener disco de acreción, la señal electromagnética que se espera sea generada por una fusión de agujero negro-agujero negro debe ser indetectable. Si hay una contraparte electromagnética, debe ser causada por estrellas de neutrones. Crédito de la imagen: NASA / Dana Berry (Skyworks Digital)

agujeros negros
Cuando dos estrellas de neutrones se orbitan entre sí, la teoría de Einstein de la relatividad general predice la desintegración orbital y la emisión de radiación gravitatoria. En las etapas finales de una fusión - nunca antes observada en ondas gravitatorias - la amplitud debería alcanzar un punto tan alto que LIGO podría, concebiblemente, detectarlos. Crédito de la imagen: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomía / Michael Kramer

Las estrellas de neutrones pueden no ser tan masivas como los agujeros negros, pero pueden ser hasta dos o tres veces la masa del Sol: alrededor del 10-20% de la masa de eventos LIGO detectados previamente. Son casi tan compactos como los agujeros negros, con un tamaño físico que sólo tiene diez kilómetros de radio o algo así. A pesar de que los agujeros negros se desmoronan hasta una singularidad, todavía tienen un horizonte de eventos, y el tamaño físico de una estrella de neutrones (que es básicamente un núcleo atómico gigante) es apenas mayor que el tamaño del horizonte de un agujero negro. Y su frecuencia, particularmente en los últimos segundos de una fusión, se alinea muy, muy bien con lo que LIGO es sensible. Si un evento sale en el lugar correcto, aquí hay cinco hechos increíbles que podríamos aprender.

Sistemas Binarios
Durante una inspiración y la fusión de dos estrellas de neutrones, una tremenda cantidad de energía debe ser liberada, junto con elementos pesados, ondas gravitacionales y una señal electromagnética, como se ilustra aquí. Crédito de la imagen: NASA / JPL

1.) ¿Las estrellas de neutrones que se fusionan realmente crean ráfagas de rayos gamma? Hay una idea increíble: los estallidos de rayos gamma cortos, que son increíblemente energéticos pero duran menos de dos segundos, son causados por la fusión de estrellas de neutrones. Ocurren en viejas galaxias en regiones que no están formando nuevas estrellas, sugiriendo que sólo los cadáveres estelares podrían explicarlas. Pero hasta que podamos saber lo que llevó a una explosión de rayos gamma corta, no podemos estar seguros de lo que los causó. Si LIGO puede detectar un par de estrellas de neutrones que se fusionan en ondas gravitatorias, y entonces podemos ver una explosión de rayos gamma corta inmediatamente después, esto finalmente podría verificar y validar una de las ideas más interesantes en astrofísica.

ligo
Dos estrellas de neutrones que se fusionan, como se ilustra aquí, entran en espiral y emiten ondas gravitacionales, pero son mucho más difíciles de detectar que los agujeros negros. Sin embargo, a diferencia de los agujeros negros, deben expulsar una fracción de su masa hacia el Universo, donde constituye una fracción significativa de los elementos más pesados ​​que conocemos. Crédito de la imagen: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

2.) Cuando las estrellas de neutrones chocan, ¿cuánta de su masa no se convierte en un agujero negro? Cuando miras los elementos más pesados ​​en la tabla periódica y pregunta cómo se hicieron, probablemente pienses que "supernovas" es la respuesta. Después de todo, esa es normalmente la historia que los astrónomos dicen, y es parcialmente cierto. Pero la mayoría de los elementos más pesados ​​en la tabla periódica - mercurio, oro, tungsteno, plomo, etc. - se hacen realmente de colisiones de la estrella del neutrón. La mayor parte de la masa, alrededor del 90-95%, de las estrellas de neutrones va formando un solo agujero negro en el centro, pero las restantes capas externas son expulsadas, formando la mayoría de estos elementos en nuestra galaxia. (Nota: si la masa combinada de las dos estrellas de neutrones que se están fusionando está por debajo de cierto umbral, formarán una estrella de neutrones central en lugar de un agujero negro, lo cual debería ser raro, pero no imposible.) ¿Exactamente cuánto se expulsa? Si LIGO detecta tal evento, debe decirnos.

estrellas de neutrones
Aquí se ilustra la gama de Advanced LIGO y su capacidad de detectar la fusión de agujeros negros. La fusión de estrellas de neutrones puede tener sólo una décima parte del rango y 0.1% del volumen, pero si las estrellas de neutrones son lo suficientemente abundantes, LIGO puede tener una oportunidad en esas, también. Crédito de la imagen: Colaboración LIGO / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas del Universo

3.) ¿Hasta qué punto LIGO puede ver la fusión de estrellas de neutrones? Esto no es una pregunta sobre el Universo en sí, sino más bien acerca de lo cerca que está LIGO (o, posiblemente, en exceso) de la sensibilidad del diseño. Para la luz, si un objeto está 10 veces más lejos, es sólo 1 / 100th como brillante; Pero para las ondas gravitacionales, un objeto 10 veces más distante tiene una señal de onda gravitacional que sigue siendo 1/10 como fuerte. Los agujeros negros podrían ser observables a LIGO a una distancia de muchos millones de años luz, pero las estrellas de neutrones sólo podrían ser visibles si se unen en un puñado de nuestros cúmulos de galaxias más grandes. Si vemos uno, podemos saber realmente lo bueno que es nuestro equipo ... y lo bueno que tiene que ser.

ondas gravitatorias
Cuando dos estrellas de neutrones se funden, tal como se simula aquí, deberían crear chorros de rayos gamma, así como otros fenómenos electromagnéticos que, si están lo suficientemente cerca de la Tierra, podrían ser visibles con algunos de nuestros mayores observatorios. Crédito de la imagen: NASA / Instituto Albert Einstein / Instituto Zuse Berlín / M. Koppitz y L. Rezzolla

4.) ¿Qué tipo de resplandor se desprenden las estrellas de neutrones que se fusionan? Sabemos, en algunos casos, que han ocurrido eventos fuertes consistentes con colisiones de estrellas de neutrones y que a veces dejan firmas en otras bandas electromagnéticas. No sólo debe haber una posibilidad razonable de rayos gamma, pero puede haber incluso una contraparte de UV, óptica, infrarrojos o radio. O, tal vez, habrá una contraparte multiespectral, apareciendo en las cinco bandas, en ese orden. Con una fusión de estrellas de neutrones que ocurre tan cerca (que LIGO podría detectar), podríamos tener una oportunidad real de entrar en la planta baja de una de las observaciones más increíbles de la naturaleza.

Y el más grande de todos ...

Estrellas de neutrones fusionandose, 5 hechos establecidos
Una estrella de neutrones, a pesar de ser mayoritariamente de partículas neutras, produce los campos magnéticos más fuertes del Universo. Cuando las estrellas de neutrones se fusionan, deben producir tanto ondas gravitatorias como también firmas electromagnéticas. Crédito de la imagen: NASA / Casey Reed - Penn State University

5.) Por primera vez, podríamos combinar la astronomía de onda gravitatoria con la astronomía tradicional (basada en la luz). Los eventos anteriores de LIGO eran espectaculares, pero no había manera de ver las fusiones a través de un telescopio. Después de todo, todo el escenario tuvo dos huelgas trabajando en contra:

    [●]Las posiciones de evento no se pueden determinar con precisión a partir de sólo dos detectores, incluso en principio, y
    [●]No se cree que las fusiones de agujeros negros tengan una contraparte electromagnética brillante (basada en la luz).

Ahora que VIRGO está operativa y sincronizada con los detectores gemelos de LIGO, podemos hacer determinaciones mucho mejoradas de dónde en el espacio ocurrió un evento gravitacional de la onda. Pero lo más importante es que, debido a que las fusiones de estrellas de neutrones deben tener una contraparte electromagnética, esto podría marcar la primera vez que la astronomía de onda gravitatoria y la astronomía tradicional pueden usarse para observar el mismo evento en el Universo.

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La inspiración y la fusión de dos estrellas de neutrones, como se ilustra aquí, deben producir una señal de onda gravitacional muy específica, pero el momento de la fusión también debe producir radiación electromagnética que es única e identificable como tal. Crédito de la imagen: NASA

Ya hemos entrado en una nueva era en astronomía, donde no estamos usando telescopios, sino interferómetros. No sólo estamos usando luz, sino ondas gravitacionales, para ver y entender el Universo. Si la fusión de las estrellas de neutrones se revela a LIGO, incluso si los eventos son raros y la tasa de detección es baja, significa que habremos cruzado esa próxima frontera. El cielo gravitatorio y el cielo basado en la luz ya no serán extraños el uno al otro. En cambio, estaremos un paso más cerca de comprender cómo funcionan los objetos más extremos del Universo, y tendremos una ventana en nuestro cosmos que ningún humano ha tenido antes.


Astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor primario de Starts With A Bang! Echa un vistazo a su primer libro, más allá de la galaxia, y buscar su segundo, Treknology, en octubre!


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