La fusión de dos estrellas de neutrones en la visión del artista. Las distorsiones de la red de espacio-tiempo representan ondas gravitacionales emitidas durante una colisión, y los rayos estrechos son chorros de radiación gamma que disparan unos segundos después de las ondas gravitacionales (los astrónomos las ven como destellos de rayos gamma)El 17 de agosto, después de un viaje de 130 millones de años,
llegó a la Tierra una señal en forma de ondas gravitacionales de dos estrellas de neutrones, que se movían una hacia la otra en espiral en las últimas etapas de fusión. Después de la colisión de las superficies de dos estrellas, la señal terminó abruptamente y se hizo el silencio. Aunque estos restos de estrellas con un diámetro de quizás solo 20 km se movían a una velocidad de aproximadamente el 30% de la luz, inmediatamente después de la colisión no vimos nada. Y solo 1.7 s más tarde llegó la primera señal: luz en forma de rayos gamma. ¿De dónde viene la demora? Gran pregunta hecha por nuestro lector:
Discutamos la importancia de una diferencia de 1.7 s entre el tiempo de llegada de las ondas gravitacionales y la explosión de rayos gamma durante el último evento con estrellas de neutrones.
Veamos lo que vimos e intentemos entender de dónde viene este retraso.
Las estrellas de neutrones durante la fusión pueden emitir casi simultáneamente ondas gravitacionales y señales electromagnéticas. Pero los detalles de la fusión son bastante vagos, y los modelos teóricos no coinciden exactamente con las observaciones.Durante el acercamiento de las estrellas de neutrones antes de la fusión, las ondas gravitacionales se vuelven más fuertes. A diferencia de la fusión de agujeros negros, no hay horizonte de eventos ni singularidad en el centro. Las estrellas de neutrones tienen una superficie sólida, el 90% de la cual consiste en neutrones, y el 10% de los núcleos de otros átomos (y electrones) ubicados en la superficie. Se predice que en la colisión de dos de esas superficies se producirá una reacción nuclear incontrolada, que dará como resultado:
- La liberación de una gran cantidad de materia, muchas veces mayor que Júpiter en masa.
- La formación de un objeto central colapsado, muy probablemente un agujero negro, y solo después de unos cientos de milisegundos, si hablamos de las masas involucradas en el evento descrito.
- Aceleración y expulsión de material que rodea objetos confluentes.
Sabemos que cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, cuya simulación se muestra en la imagen, emiten chorros de rayos gamma y causan otros fenómenos electromagnéticos. Pero la pregunta de por qué la explosión de rayos gamma se produjo 1.7 segundos después de la fusión gravitacional aún no ha dado una respuesta clara.Gracias a las observaciones de más de 70 telescopios y satélites en los espectros desde la radiación gamma hasta las ondas de radio, ahora sabemos que es en tales procesos que se generan la mayoría de los elementos pesados de la tabla periódica. Sabemos que como resultado de la fusión, muy probablemente, apareció una estrella de neutrones que gira rápidamente, que colapsó en un agujero negro después de una fracción de segundo. Y sabemos que la primera señal electromagnética de esta fusión, los rayos gamma de alta energía, llegó 1.7 segundos después del final de las señales gravitacionales. En una escala de tiempo de 130 Ma, esto significa que las velocidades de las ondas gravitacionales y la luz son iguales con un error de
10-15 .
En los últimos momentos de la fusión, dos estrellas de neutrones no solo emiten ondas gravitacionales, sino que también sufren una explosión catastrófica que responde a todo el espectro electromagnético. La diferencia en la llegada entre la luz y las ondas gravitacionales nos permite aprender mucho sobre el universo.Pero, ¿por qué llegan tarde los rayos gamma? ¿Por qué no vinieron al mismo tiempo que las ondas gravitacionales? Hay dos opciones posibles:
- Los rayos gamma se emitieron 1,7 segundos después del primer contacto de las superficies de las estrellas de neutrones.
- Los rayos gamma se emitieron casi de inmediato, pero se retrasaron por el paso de la materia que rodeaba la escena.
El problema es que la verdadera respuesta puede ser una combinación de ambos factores o una alternativa poco probable que incluya física exótica (una ligera diferencia en la velocidad de las ondas gravitacionales y electromagnéticas). Veamos cómo se pueden jugar ambas opciones.
Durante el acercamiento en espiral y la fusión de dos estrellas de neutrones, debe salir una gran cantidad de energía, así como la aparición de elementos pesados, ondas gravitacionales y señales electromagnéticas.Retraso en la aparición de radiación gamma: cuando dos estrellas de neutrones chocan, emiten rayos gamma. La teoría líder en los últimos 20 años sobre la aparición de destellos cortos de radiación gamma en el cielo fue la colisión de estrellas de neutrones, y esta teoría ha sido asombrosamente confirmada al observar el evento GW170817. Pero, ¿dónde aparecen exactamente los rayos gamma?
- En la superficie de las estrellas de neutrones.
- Debido a la colisión de la materia descartada con la materia circundante.
- En los núcleos de las estrellas de neutrones.
Si alguna de las dos últimas opciones es verdadera, entonces los rayos gamma deberían haberse retrasado. Fusión, expulsión de material, su colisión con la materia circundante, emisión de materia de alta energía por rayos gamma: todo esto lleva tiempo. Si la materia se encuentra a una distancia considerable de una estrella de neutrones, por ejemplo, en decenas o cientos de miles de kilómetros, esto simplemente explicaría el retraso.
Si los rayos gamma no aparecen en la superficie, sino dentro de las estrellas de neutrones en colisión, también debería haber un retraso, ya que la luz tardará un tiempo en superar el grosor de la estrella y llegar a la superficie. Las ondas gravitacionales no se retrasan cuando pasan a través de materia densa, y la luz se retrasa. Esto sería muy similar a nuestra observación de una supernova en 1987, cuando los neutrinos (no retrasados por el paso a través de la materia) llegaron cuatro horas antes de la primera señal de luz, ya que la luz se retrasó a través de una gran cantidad de materia. Cualquiera de estas explicaciones puede causar retrasos en los rayos gamma.
Un destello rápido de rayos gamma, cuya causa se ha considerado durante mucho tiempo la fusión de las estrellas de neutrones. Un ambiente rico en gas puede retrasar la llegada de una señal.Emisión instantánea, pero llegada tardía: otra opción básica. Incluso si un rhinestone emite rayos gamma, deben atravesar un entorno rico en materia de una estrella de neutrones. Y será rico en materia, porque debido a la muy alta velocidad de movimiento de las estrellas de neutrones y los enormes campos magnéticos emitidos por ellas, el material será arrojado al espacio durante su convergencia y fusión. Su baile conjunto dura mucho tiempo, por lo que debe reunirse mucha materia a su alrededor, a través de la cual debe pasar la luz antes de que llegue a nuestros ojos. ¿Hay suficiente material para sostener la luz durante 1.7 segundos? Puede ser mucho, y esta es otra de las principales opciones.
El Pulsar en velas , como todos los púlsares, es un ejemplo de un cadáver de una estrella de neutrones. Muy a menudo, está rodeado de gas y materia de esta manera, y la sustancia que rodea a las estrellas de neutrones que participan en GW170817 puede ser responsable del retraso de la luz.Para obtener la respuesta correcta, es necesario estudiar las variantes de los eventos para diferentes combinaciones de masas: masa total hasta 2.5 solar (como resultado de lo cual se obtiene una estrella de neutrones estable); de 2.5 a 3 masas solares (como en el caso que vimos, aparece temporalmente una estrella de neutrones, luego se convierte en un agujero negro); más de 3 masas solares (aparece inmediatamente un agujero negro); así como medir señales luminosas. Podemos aprender más si determinamos de antemano el comienzo de la fase de aproximación en espiral y podemos dirigir los instrumentos al punto deseado algún tiempo antes de la fusión. A medida que LIGO / Virgo y otros detectores de ondas gravitacionales se han ganado y se han vuelto más sensibles, estas acciones serán cada vez mejores con nosotros.
Restos de una supernova de 1987n ubicada en la Gran Nube de Magallanes a 165,000 años luz. El hecho de que los neutrinos llegaron muchas horas antes de la primera señal de luz nos dijo más sobre el tiempo que tarda la luz en penetrar las capas de supernova que sobre la velocidad de un neutrino que no se puede distinguir de la velocidad de la luz.Las ideas exóticas, como las diferentes velocidades de la gravedad y la luz, son completamente innecesarias para explicar esta observación. El retraso de 1.7 s puede explicarse utilizando varias ideas que no se apartan de la física tradicional. Las ondas gravitacionales simplemente pasan a través de la materia sin resistencia, y la luz interactúa con ella, siendo una onda electromagnética, y esto puede conducir a resultados completamente diferentes. En comparación con las supernovas, los rayos gamma que generan estrellas de neutrones son pequeños, por lo tanto, para describir este efecto de forma completa y precisa, será necesario comprender cómo se desarrolla este cataclismo en intervalos de tiempo muy cortos. Los teóricos de las carreras buscan entender lo que está sucediendo, ya tenemos los datos. Y el próximo evento de este tipo puede cambiarlo todo.
Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].