El año pasado, investigadores de la Universidad Northwestern informaron sobre nuevas evidencias observacionales de que pueden producirse explosiones largas de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) a partir de la fusión de una estrella de neutrones con otro objeto compacto (ya sea otra estrella de neutrones o un agujero negro), un hallazgo que anteriormente se creía que ser imposible.
Ahora, otro equipo de Northwestern ofrece una posible explicación de lo que generó el estallido de luz increíblemente luminoso y sin precedentes.
Después de desarrollar la primera simulación numérica que sigue la evolución del chorro en una fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones a grandes distancias, los astrofísicos descubrieron que el agujero negro posterior a la fusión puede lanzar chorros de material desde la estrella de neutrones devorada.
Pero los ingredientes clave son la masa del violento remolino de gas (o disco de acreción) que rodea el agujero negro y la fuerza del campo magnético del disco. En los discos masivos, cuando el campo magnético es fuerte, el agujero negro lanza un chorro de corta duración que es mucho más brillante que cualquier cosa jamás vista en observaciones. Sin embargo, cuando el disco masivo tiene un campo magnético más débil, el agujero negro lanza un chorro con la misma luminosidad y larga duración que el misterioso GRB (apodado GRB211211A) detectado en 2021 y reportado en 2022.
El nuevo descubrimiento no sólo ayuda a explicar los orígenes de los GRB largos, sino que también proporciona información sobre la naturaleza y la física de los agujeros negros, sus campos magnéticos y discos de acreción.
El estudio se publicará el jueves (31 de agosto) en la Diario astrofísico.
«Hasta ahora, nadie más ha desarrollado ningún trabajo numérico o simulaciones que sigan consistentemente un chorro desde la fusión del objeto compacto hasta la formación del chorro y su evolución a gran escala», dijo Ore Gottlieb de Northwestern, quien codirigió el trabajo. . «La motivación de nuestro trabajo fue hacer esto por primera vez. Y lo que encontramos coincidió con las observaciones de GRB211211A».
«Las fusiones de estrellas de neutrones son fenómenos cautivadores de múltiples mensajeros, que dan como resultado ondas gravitacionales y electromagnéticas», dijo Danat Issa de Northwestern, quien codirigió el trabajo con Gottlieb. «Sin embargo, simular estos eventos plantea un desafío debido a las enormes separaciones de escala espacial y temporal involucradas, así como a la diversa física que opera en estas escalas. Por primera vez, hemos logrado modelar de manera integral toda la secuencia del proceso de fusión de estrellas de neutrones. «.
Durante la investigación, Gottlieb fue miembro de CIERA en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de Northwestern; ahora es investigador Flatiron en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron. Issa es estudiante de posgrado en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro de CIERA. Issa cuenta con el asesoramiento del coautor del artículo, Alexander Tchekhovskoy, profesor asociado de física y astronomía en Weinberg y miembro de CIERA.
Kilonova curiosa
Cuando los astrónomos detectaron por primera vez GRB211211A en diciembre de 2021, inicialmente asumieron que el evento de 50 segundos de duración se generó a partir del colapso de una estrella masiva. Pero, mientras examinaban la emisión tardía del GRB largo, llamada resplandor, descubrieron evidencia de una kilonova, un evento raro que sólo ocurre después de la fusión de una estrella de neutrones con otro objeto compacto.
El hallazgo (publicado en Nature en diciembre de 2022) puso patas arriba la creencia arraigada y aceptada desde hacía mucho tiempo de que solo las supernovas podían generar GRB largos.
«GRB 211211A reavivó el interés en el origen de GRB de larga duración que no están asociados con estrellas masivas, pero que probablemente se originan a partir de fusiones binarias compactas», dijo Gottlieb.
De la prefusión a los GRB a largo plazo
Para revelar aún más lo que ocurre durante los eventos de fusión compacta, Gottlieb, Issa y sus colaboradores intentaron simular todo el proceso, desde antes de la fusión hasta el final del evento GRB, cuando los aviones productores de GRB se apagaron. Debido a que se trata de una hazaña increíblemente costosa desde el punto de vista computacional, nunca antes se había modelado el escenario completo. Gottlieb e Issa superaron ese desafío dividiendo el escenario en dos simulaciones.
Primero, los investigadores realizaron una simulación de la fase previa a la fusión. Luego, tomaron el resultado de la primera simulación y lo conectaron a la simulación posterior a la fusión.
«Debido a que el espacio-tiempo utilizado por las dos simulaciones es diferente, esta reasignación no fue tan sencilla como esperábamos, pero Danat lo descubrió», dijo Tchekhovskoy.
«La conexión en cadena de las dos simulaciones nos permitió hacer el cálculo mucho menos costoso», dijo Gottlieb. «La física es muy complicada en la etapa previa a la fusión porque hay dos objetos. Se vuelve mucho más simple después de la fusión porque sólo hay un agujero negro».
En la simulación, los objetos compactos primero se fusionaron para crear un agujero negro más masivo. La intensa gravedad del agujero negro atrajo hacia él los restos de la ahora destruida estrella de neutrones. Antes de que los escombros cayeran en el agujero negro, algunos de ellos primero giraron alrededor del agujero negro como un disco de acreción. En la configuración estudiada, el disco emergente era particularmente masivo: una décima parte de la masa de nuestro sol. Luego, cuando la masa cayó en el agujero negro desde el disco, impulsó al agujero negro para lanzar un chorro que aceleró hasta casi la velocidad de la luz.
Las propiedades del disco importan
Una sorpresa surgió cuando los investigadores ajustaron la fuerza del campo magnético del disco masivo. Mientras que un campo magnético fuerte daba como resultado un GRB corto e increíblemente brillante, un campo magnético débil generaba un chorro que coincidía con las observaciones de GRB largos.
«Cuanto más fuerte es el campo magnético, más corta es su vida útil», afirma Gottlieb. «Los campos magnéticos débiles producen chorros más débiles que el agujero negro recién formado puede sostener durante más tiempo. Un ingrediente clave aquí es el disco masivo que puede mantener, junto con campos magnéticos débiles, un GRB consistente con las observaciones y comparable a la luminosidad y larga duración. duración de GRB211211A. Aunque descubrimos que este sistema binario específico da lugar a un GRB largo, también esperamos que otras fusiones binarias que produzcan discos masivos conduzcan a un resultado similar. Es simplemente una cuestión de la masa del disco posterior a la fusión».
Por supuesto, «largo» es relativo en este escenario. Los GRB se dividen en dos clases. Los GRB con una duración inferior a dos segundos se consideran cortos. Si un GRB dura dos segundos o más, se considera largo. Incluso acontecimientos tan breves siguen siendo excepcionalmente difíciles de modelar.
«Una gran parte del material de este disco finalmente es consumido por el agujero negro, y todo el proceso dura apenas unos segundos», dijo Issa. «Aquí radica el principal desafío: es muy difícil captar la evolución de estas fusiones mediante simulaciones en superordenadores en un lapso de varios segundos».
Siguiente: Neutrinos
Ahora que Gottlieb e Issa han modelado exitosa y exhaustivamente la secuencia completa de la fusión, están emocionados de continuar actualizando y mejorando sus modelos.
«Mis esfuerzos actuales están dirigidos a mejorar la precisión física de las simulaciones», dijo Issa. «Esto implica la incorporación de enfriamiento de neutrinos, un componente vital que tiene el potencial de influir significativamente en la dinámica del proceso de fusión. Además, la inclusión de neutrinos sirve como un paso crítico para lograr una evaluación más precisa de la composición nuclear del material. expulsadas como consecuencia de estas fusiones. A través de este enfoque, mi objetivo es proporcionar una imagen más completa y precisa de las fusiones de estrellas de neutrones».
