Nueva interpretación de la "imposible" explosión de rayos gamma ofrecida por los científicos

por Amir Hussein
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Gamma-Ray Bursts

Investigadores de la Universidad Northwestern han creado simulaciones que indican que las fusiones de estrellas de neutrones, no sólo los colapsos masivos de estrellas, pueden provocar largos estallidos de rayos gamma. Este hallazgo enriquece nuestra comprensión de la física de los agujeros negros y contradice los modelos astrofísicos actuales. Fuente: SciTechPost.com

Los científicos de la Universidad Northwestern realizaron la primera simulación numérica extensa alineándose con las enigmáticas observaciones de una fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones.

En 2022, un equipo de la Universidad Northwestern proporcionó nueva evidencia observacional que sugiere que largas explosiones de rayos gamma (GRB) podrían resultar de la colisión de una estrella de neutrones con un objeto denso como otra estrella de neutrones o un agujero negro, algo que antes se consideraba inverosímil.

Otro equipo de Northwestern propone ahora una explicación para el extraordinario e intensamente brillante estallido de luz observado.

Crearon la primera simulación numérica que rastrea la evolución de un chorro de fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones a grandes distancias, revelando que el agujero negro resultante puede expulsar chorros de la estrella de neutrones envuelta.

Los factores críticos son la masa del remolino de gas (disco de acreción) alrededor del agujero negro y la intensidad de su campo magnético. En discos masivos con un fuerte campo magnético, el agujero negro expulsa un chorro corto y excepcionalmente brillante, superando cualquier brillo observado anteriormente. Por el contrario, un campo magnético más débil en un disco masivo da como resultado un chorro de luminosidad y duración similar al misterioso GRB (llamado GRB211211A) observado en 2021 y reportado en 2022.

Este descubrimiento no sólo aclara los orígenes de los GRB largos, sino que también proporciona información sobre la naturaleza de los agujeros negros, los campos magnéticos y los discos de acreción.

La innovadora simulación a gran escala de la evolución de un chorro de fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones fue atribuida a Ore Gottlieb de la Universidad Northwestern.

Este estudio fue publicado recientemente en el Astrophysical Journal.

Ore Gottlieb, de Northwestern, explicó que ninguna simulación numérica previa había rastreado consistentemente un chorro desde la fusión de un objeto compacto hasta su formación y evolución a gran escala, lo que su trabajo pretendía hacer por primera vez. Sorprendentemente, sus hallazgos coincidieron con las observaciones de GRB211211A.

Danat Issa de Northwestern, que codirigió el proyecto con Gottlieb, describió las fusiones de estrellas de neutrones como fascinantes fenómenos de múltiples mensajeros que producen ondas gravitacionales y electromagnéticas. El modelado completo de toda esta secuencia de fusión fue una novedad en este campo.

Durante el estudio, Gottlieb fue miembro de CIERA en el centro de astrofísica de Northwestern y ahora es miembro de investigación Flatiron en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron. Issa, estudiante de posgrado en el departamento de física y astronomía de Northwestern y miembro de CIERA, cuenta con la tutoría del coautor Alexander Tchekhovskoy, profesor asociado de física y astronomía en Northwestern.

El descubrimiento de la kilonova GRB211211A en diciembre de 2021, que inicialmente se creía que provenía de un colapso estelar masivo, reveló evidencia de una kilonova rara tras la fusión de una estrella de neutrones. Este hallazgo, publicado en Nature en diciembre de 2022, desafió la suposición arraigada de que solo las supernovas podían crear GRB largos.

Gottlieb comentó que GRB 211211A revivió el interés en el origen de GRB de larga duración no vinculados a estrellas masivas, probablemente derivados de fusiones binarias compactas.

El Telescopio Espacial Hubble capturó la ubicación de GRB 211211A, marcada en rojo.

Gottlieb, Issa y su equipo se esforzaron por simular toda la secuencia del evento de fusión compacta, desde la prefusión hasta la conclusión del evento GRB. Esta compleja tarea no había sido modelada anteriormente debido a sus demandas computacionales. Dividieron el escenario en dos simulaciones, comenzando con la fase previa a la fusión y luego utilizando su resultado para la simulación posterior a la fusión.

Las simulaciones revelaron la fusión de objetos compactos en un agujero negro más grande. Este agujero negro atrajo los restos de la estrella de neutrones, formando un disco de acreción antes de que algunos escombros fueran expulsados en forma de chorro a una velocidad cercana a la de la luz.

Las simulaciones mostraron que un campo magnético fuerte en un disco masivo conduce a un GRB corto e increíblemente brillante, mientras que un campo magnético más débil produce un chorro de larga duración que se asemeja a un GRB largo.

Gottlieb señaló que "largo" es relativo, ya que los GRB de menos de dos segundos son cortos, mientras que los de más de dos segundos son largos. Incluso estos breves eventos plantean importantes desafíos de modelización.

Issa destacó la dificultad de captar la evolución de estas fusiones en varios segundos mediante simulaciones por superordenador.

Gottlieb e Issa planean perfeccionar aún más sus modelos, y Issa se centrará en incorporar refrigeración de neutrinos para mejorar la precisión física. Esta adición tiene como objetivo proporcionar una comprensión más detallada de las fusiones de estrellas de neutrones.

El estudio, “Evolución a gran escala de chorros relativistas de segundos de duración a partir de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones”, fue escrito por Ore Gottlieb, Danat Issa y otros, y se publicó el 31 de agosto de 2023 en The Astrophysical Journal Letters (DOI). : 10.3847/2041-8213/aceeff).

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Preguntas frecuentes (FAQ) sobre las explosiones de rayos gamma

¿Cuál es el nuevo descubrimiento sobre los estallidos de rayos gamma?

Investigadores de la Universidad Northwestern han descubierto que largas explosiones de rayos gamma, que antes se pensaba que eran causadas únicamente por colapsos masivos de estrellas, también pueden ser el resultado de fusiones de estrellas de neutrones. Este descubrimiento desafía las teorías astrofísicas establecidas y mejora nuestra comprensión de la física de los agujeros negros.

¿Cómo crean las fusiones de estrellas de neutrones explosiones de rayos gamma?

Las fusiones de estrellas de neutrones pueden crear explosiones de rayos gamma mediante la formación de un agujero negro que expulsa chorros de material de la estrella de neutrones envuelta. El proceso depende de la masa del disco de acreción y de la fuerza de su campo magnético.

¿Qué tuvo de especial el estudio de la Universidad Northwestern?

El estudio de la Universidad Northwestern fue único porque presentó la primera simulación numérica a gran escala que coincidía con las observaciones de una fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones, proporcionando una posible explicación para estallidos de rayos gamma inexplicables anteriormente.

¿Qué implicaciones tiene este descubrimiento?

Este descubrimiento proporciona nuevos conocimientos sobre la naturaleza y la física de los agujeros negros, sus campos magnéticos y sus discos de acreción. También amplía nuestra comprensión de los orígenes de los estallidos largos de rayos gamma, ofreciendo una nueva perspectiva sobre estos eventos cósmicos.

¿Cuál fue el papel de las simulaciones numéricas en esta investigación?

Las simulaciones numéricas desempeñaron un papel crucial en esta investigación al permitir a los científicos seguir la evolución del chorro en una fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones a grandes distancias. Este enfoque les ayudó a comprender cómo el agujero negro posterior a la fusión podría lanzar chorros de material desde la estrella de neutrones tragada.

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