¿El giro rápido retrasó el colapso de 2017 de las estrellas de neutrones en un agujero negro?

Cuando dos estrellas de neutrones entran en espiral y se fusionan para formar un agujero negro, un evento registrado en 2017 por detectores de ondas gravitacionales y telescopios en todo el mundo, ¿se convierte inmediatamente en un agujero negro? ¿O toma un tiempo girar hacia abajo antes de colapsar gravitacionalmente más allá del horizonte de eventos en un agujero negro?

Las observaciones en curso de esa fusión de 2017 por parte del Observatorio de rayos X Chandra, un telescopio en órbita, sugieren lo último: que el objeto fusionado se quedó, probablemente por un segundo, antes de sufrir un colapso final.

La evidencia está en forma de un resplandor de rayos X de la fusión, denominado GW170817, que no se esperaría si las estrellas de neutrones fusionadas colapsaran inmediatamente en un agujero negro. El resplandor se puede explicar como un rebote de material de las estrellas de neutrones fusionadas, que atravesó y calentó el material alrededor de las estrellas de neutrones binarias. Este material caliente ahora ha mantenido el remanente brillando constantemente más de cuatro años después de que la fusión arrojara material hacia afuera en lo que se conoce como una kilonova. De otro modo, las emisiones de rayos X de un chorro de material que Chandra detectó poco después de la fusión ya estarían disminuyendo.

Si bien el exceso de emisiones de rayos X observado por Chandra podría provenir de los escombros en un disco de acreción que gira y finalmente cae en el agujero negro, la astrofísica Raffaella Margutti de la Universidad de California, Berkeley, favorece la hipótesis del colapso retardado, que se predice teóricamente.

«Si las estrellas de neutrones fusionadas colapsaran directamente en un agujero negro sin etapa intermedia, sería muy difícil explicar este exceso de rayos X que vemos ahora, porque no habría una superficie dura para que las cosas reboten y volar a altas velocidades para crear este resplandor», dijo Margutti, profesor asociado de astronomía y física de UC Berkeley. «Simplemente caería. Listo. La verdadera razón por la que estoy entusiasmado científicamente es la posibilidad de que estemos viendo algo más que el chorro. Finalmente podríamos obtener información sobre el nuevo objeto compacto».

Margutti y sus colegas, incluida la primera autora Aprajita Hajela, quien fue estudiante de posgrado de Margutti cuando estaba en la Universidad Northwestern antes de mudarse a UC Berkeley, informan su análisis del resplandor de rayos X en un artículo recientemente aceptado para su publicación en Las cartas del diario astrofísico.

El resplandor radiactivo de una kilonova

Las ondas gravitacionales de la fusión fueron detectadas por primera vez el 17 de agosto de 2017 por el Observatorio de ondas gravitacionales de interferómetro láser avanzado (LIGO) y la colaboración Virgo. Los telescopios terrestres y satelitales siguieron rápidamente para registrar un estallido de rayos gamma y emisiones visibles e infrarrojas que, en conjunto, confirmaron la teoría de que muchos elementos pesados ​​​​se producen como consecuencia de tales fusiones dentro de la eyección caliente que produce una kilonova brillante. La kilonova brilla debido a la luz emitida durante la descomposición de los elementos radiactivos, como el platino y el oro, que se producen en los restos de la fusión.

Chandra también giró para observar GW170817, pero no vio rayos X hasta nueve días después, lo que sugiere que la fusión también produjo un estrecho chorro de material que, al chocar con el material alrededor de las estrellas de neutrones, emitió un cono de rayos X. que inicialmente se perdió la Tierra. Solo más tarde la cabeza del chorro se expandió y comenzó a emitir rayos X en un chorro más amplio visible desde la Tierra.

Las emisiones de rayos X del jet aumentaron durante 160 días después de la fusión, después de lo cual se hicieron cada vez más débiles a medida que el jet disminuía su velocidad y se expandía. Pero Hajela y su equipo notaron que desde marzo de 2020, aproximadamente 900 días después de la fusión, hasta finales de 2020, la disminución se detuvo y las emisiones de rayos X permanecieron aproximadamente constantes en brillo.

«El hecho de que los rayos X dejaran de desvanecerse rápidamente fue nuestra mejor evidencia hasta ahora de que se está detectando algo además de un chorro en los rayos X de esta fuente», dijo Margutti. «Parece que se necesita una fuente completamente diferente de rayos X para explicar lo que estamos viendo».

Los investigadores sugieren que el exceso de rayos X es producido por una onda de choque distinta de los chorros producidos por la fusión. Este choque fue el resultado del colapso retrasado de las estrellas de neutrones fusionadas, probablemente porque su rápido giro contrarrestó muy brevemente el colapso gravitatorio. Al quedarse un segundo más, el material alrededor de las estrellas de neutrones tuvo un rebote adicional que produjo una cola muy rápida de eyecciones de kilonovas que crearon el choque.

«Creemos que la emisión del resplandor residual de la kilonova es producida por material impactado en el medio circumbinario», dijo Margutti. «Es material que estaba en el entorno de las dos estrellas de neutrones que fue impactado y calentado por el borde más rápido de la eyección de kilonova, que está impulsando la onda de choque».

La radiación nos está llegando solo ahora porque tomó tiempo para que la eyección de kilonova pesada se desacelere en el entorno de baja densidad y para que la energía cinética de la eyección se convierta en calor por choques, dijo. Este es el mismo proceso que produce radio y rayos X para el chorro, pero debido a que el chorro es mucho, mucho más liviano, el entorno lo desacelera inmediatamente y brilla en los rayos X y el radio desde tiempos muy remotos.

Una explicación alternativa, señalan los investigadores, es que los rayos X provienen del material que cae hacia el agujero negro que se formó después de la fusión de las estrellas de neutrones.

«Esta sería la primera vez que vemos un resplandor posterior de kilonova o la primera vez que vemos material cayendo en un agujero negro después de una fusión de estrellas de neutrones», dijo el coautor Joe Bright, investigador postdoctoral de UC Berkeley. «Cualquier resultado sería extremadamente emocionante».

Chandra es ahora el único observatorio que aún puede detectar la luz de esta colisión cósmica. Sin embargo, las observaciones de seguimiento de Chandra y los radiotelescopios podrían distinguir entre las explicaciones alternativas. Si se trata de un resplandor residual de kilonova, se espera que la emisión de radio se detecte nuevamente en los próximos meses o años. Si los rayos X son producidos por materia que cae sobre un agujero negro recién formado, entonces la salida de rayos X debería permanecer constante o disminuir rápidamente, y no se detectará ninguna emisión de radio con el tiempo.

Margutti espera que LIGO, Virgo y otros telescopios capturen ondas gravitacionales y ondas electromagnéticas de más fusiones de estrellas de neutrones para que la serie de eventos que preceden y siguen a la fusión puedan precisarse con mayor precisión y ayuden a revelar la física de la formación de agujeros negros. Hasta entonces, GW170817 es el único ejemplo disponible para estudio.

«Un estudio adicional de GW170817 podría tener implicaciones de gran alcance», dijo la coautora Kate Alexander, investigadora postdoctoral que también es de la Universidad Northwestern. «La detección del resplandor de una kilonova implicaría que la fusión no produjo inmediatamente un agujero negro. Alternativamente, este objeto puede ofrecer a los astrónomos la oportunidad de estudiar cómo la materia cae en un agujero negro unos años después de su nacimiento».

Margutti y su equipo anunciaron recientemente que el telescopio Chandra había detectado rayos X en las observaciones de GW170817 realizadas en diciembre de 2021. El análisis de esos datos está en curso. No se ha informado ninguna detección de radio asociada con los rayos X.