Ondas gravitacionales de estrellas de neutrones

La quinta detección de ondas gravitacionales —perturbaciones en el enmallado espacio-tiempo causadas por cuerpos masivos de alta aceleración— ha revelado una nueva fuente de estos ecos de la formación del universo: las estrellas de neutrones. Las detecciones anteriores correspondieron a ondas provenientes de parejas de agujeros negros.

Aunque no tan masivos como los hoyos negros binarios (agujeros emparejados que comparten un campo gravitacional y orbitan entre sí, movimiento que produce las ondas), las estrellas de neutrones, con masas promedio equivalentes a 1,4 las del Sol, producto de supernovas de estrellas con masas de 4 a 8 veces la del Sol, también pueden producir ondas gravitacionales. 

La quinta detección no solo ha sido advertida por el instrumental, pues al haberse mostrado en todas las longitudes de onda de luz, desde la de los rayos gamma hasta la de las microondas, los astrónomos han podido ver el cataclismo cósmico protagonizado por las dos estrellas de neutrones. Hablamos con el astrónomo Serguéy Popov sobre la importancia del hallazgo.

N + 1: ¿Por qué necesitamos atrapar ondas gravitacionales?

Serguéy Popov: El estudio de las ondas gravitacionales nos permitirá comprender bastante sobre la gravitación en sí. Por ejemplo, con los primeros descubrimientos de ellas nos dimos cuenta de que la velocidad de su propagación con alta precisión es igual a la velocidad de la luz. Esto significa, por ejemplo, que la teoría de la gravedad con ​​gravitones pesados aún no está confirmada.

En general, gracias a las ondas gravitacionales, es posible conocer muchas cosas interesantes sobre los agujeros negros, sobre las propiedades de las regiones cercanas a sus límites y sobre la teoría de la gravitación en general.

¿Qué es lo que las ondas gravitatorias aún no nos han dicho sobre los agujeros negros?

La historia de la astronomía gravitacional apenas está empezando, y estoy seguro de que en el futuro a los científicos les espera no solo un Premio Nobel por los nuevos datos sobre la naturaleza de los agujeros negros y la gravedad en sí misma. Y se trata de premios que pueden ser obtenidos por personas que trabajan con detectores de ondas gravitacionales.

Si tenemos suerte y la fusión de agujeros negros ocurre relativamente cerca –no a una distancia de cinco mil millones de años luz, sino, por ejemplo, a 500 millones– o si nuestros telescopios gravitacionales se vuelven más sensibles, entonces podremos ver el efecto de la reflexión de las ondas gravitacionales desde el horizonte de sucesos de un agujero negro. Con estas señales reflejadas, podremos ver lo que está sucediendo en la región cercana a la frontera, que ahora es completamente inaccesible a las observaciones.

De hecho, este será un verdadero descubrimiento de los agujeros negros. Hasta ahora, toda la evidencia de su existencia fue, aunque muy convincente, indirecta, y en este caso podemos obtener evidencia de que realmente hay un horizonte de eventos.

Quizás lo más interesante sea la señal después de la fusión de los agujeros negros, cuando el horizonte de un nuevo agujero negro "tiembla" y emite ondas gravitacionales. Dependiendo de cómo tiemble, será posible confirmar o excluir algunas teorías sobre la composición de los agujeros negros, y esto ya jala al Premio Nobel.

La reciente deteccción de ondas gravitacionales provenientes de la fusión de estrellas de neutrones, ¿qué nos enseñaría?

Las ondas gravitacionales de la fusión de estrellas de neutrones, incluso sin la observación de este evento, nos permitirán medir sus masas y radios con gran precisión.

Y este es el verdadero Santo Grial de la física nuclear, porque todavía no sabemos de qué están compuestas las estrellas de neutrones, cómo están formadas en el interior. Además, cada modelo de estas hecho desde el "exterior" corresponde a ciertos valores de la masa y el radio, y hasta el 10% de desviación puede cambiar radicalmente nuestra comprensión de lo que está pasando en las entrañas de la estrella de neutrones.

A los resultados de los detectores se agregan los resultados de las observaciones en los rangos óptico y gamma.

Eso nos dará mucho para investigar la síntesis de los elementos pesados ​​en el universo. Antes se solía ​​pensar que su fuente principal eran explosiones de supernovas. Pero hace unos diez años aparecieron datos que permiten decir que precisamente la fusión de las estrellas de neutrones contribuye decisivamente en su formación. Y esto a pesar de que la ocurrencia de tales fusiones es mil veces menor a la de las explosiones de supernovas.

Durante la fusión de estrellas de neutrones, la eficiencia del proceso de síntesis de núcleos pesados ​​es mucho mayor, ya que en este caso se incluye el llamado proceso de supernova tipo r. Además, durante una explosión de supernovas, una gran parte de la materia simplemente retrocede. Y en el caso de las estrellas de neutrones, la liberación de la materia comienza incluso antes de las etapas principales de fusión. Bajo la influencia de la gravedad, la estrellas comienzan a "corrugarse" fuertemente, y cerca del 10% de la sustancia sale al exterior.

Estas son las kilonovas, así llaman a los estados transitorios después de la fusión de las estrellas de neutrones (¡no deben confundirse con las supernovas!). Al mismo tiempo, durante estos procesos se desechan varios elementos pesados, que se descomponen e iluminan la nebulosa. Las kilonovas ya se ha observado varias veces después de pequeños estallidos de rayos gamma.

Pero estos son modelos que deben confirmarse mediante observaciones. Y, ciertamente, el estallido de información que nos pueden dar rangos gamma y ​​ópticos de las ondas gravitacionales los confirma y premitirá entender muchas cosas y hará que se deifna mejor el modelo de la nucleosíntesis. Sabremos así exactamente de dónde provienen el oro y otros elementos pesados ​​en el Universo.

Además, resuelve un problema importante para la física nuclear: la masa límite de una estrella de neutrones. Después de conocer esta masa, podremos decir cuánta materia puede contener una estrella de neutrones sin colapsar en un agujero negro. Por ejemplo, veremos que se formó un objeto con una masa de 2,2 masas solares y no se produjo ningún colapso. En otro caso, veremos una estrella de 2,3 masas solares y un colapso. Esto significa que podremos poner un límite y esto resolverá el problema del comportamiento de la materia en alta densidad.

Serguéy Kuznetsov

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