Cuando se trata de «acabar» con los fantasmas cósmicos, sólo los objetos más extremos del universo pueden estar a la altura: las estrellas de neutrones.
Los científicos han realizado simulaciones de colisiones entre estas estrellas ultradensas y muertas, mostrando que eventos tan poderosos pueden ser capaces de «atrapar» brevemente neutrinos, también conocidas como «partículas fantasma». El descubrimiento podría ayudar a los científicos a comprender mejor fusiones de estrellas de neutrones en su conjunto, que son eventos que crean ambientes lo suficientemente turbulentos como para elementos de forja más pesados que el hierro. Estos elementos ni siquiera pueden crearse en el corazón de las estrellas, y esto incluye el oro en el dedo y la plata alrededor del cuello.
Los neutrinos son considerados los «fantasmas» del zoológico de partículas debido a su falta de carga y su masa increíblemente pequeña. Estas características significan que rara vez interactúan con la materia. Para poner esto en perspectiva, mientras lees esta oración, más de 100 billones de neutrinos fluyen a través de tu cuerpo a una velocidad cercana a la de la luz y no puedes sentir nada.
Estas nuevas simulaciones de fusiones de estrellas de neutrones fueron realizadas por físicos de la Universidad Penn State y finalmente demostraron que el punto en el que estas estrellas muertas se encuentran (la interfaz) se vuelve increíblemente caliente y denso. De hecho, se vuelve lo suficientemente extremo como para atrapar a un grupo de esos «fantasmas cósmicos».
Al menos por un corto tiempo, de todos modos.
A pesar de su falta de interacción con la materia, neutrinos creados en la colisión quedaría atrapada en esa interfaz de fusión de estrellas de neutrones y se calentaría mucho más que los corazones relativamente fríos de las estrellas muertas en colisión.
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Esto se conoce como que los neutrinos están «fuera de equilibrio térmico» con el frío. núcleos de estrellas de neutrones. Durante esta fase caliente, que dura entre dos y tres milisegundos, las simulaciones del equipo indicaron que los neutrinos pueden interactuar con la materia de las estrellas de neutrones en fusión, lo que a su vez ayuda a restablecer el equilibrio térmico.
«Las estrellas de neutrones antes de la fusión son efectivamente frías. Aunque pueden tener miles de millones de grados Kelvin, su increíble densidad significa que este calor contribuye muy poco a la energía del sistema», dijo el líder del equipo David Radice, profesor asistente de física y astronomía. y astrofísica en la Eberly College of Science de Penn State, dijo en un comunicado. «A medida que chocan, pueden calentarse mucho. La interfaz de las estrellas en colisión puede calentarse hasta temperaturas de billones de grados Kelvin. Sin embargo, son tan densas que los fotones no pueden escapar para disipar el calor; en cambio, creemos que enfriarse emitiendo neutrinos.»
Colocando trampas para fantasmas cósmicos
Las estrellas de neutrones nacen cuando Una estrella masiva con al menos ocho veces la masa del Sol se queda sin el combustible necesario para la fusión nuclear en su núcleo. Una vez que se agota ese suministro de combustible, la estrella ya no puede sostenerse contra el empuje hacia adentro de su propia gravedad.
Esto inicia una serie de colapsos del núcleo que desencadenan la fusión de elementos más pesados, que luego provocan aun mas pesado elementos. Esta cadena termina cuando el corazón de la estrella moribunda se llena de hierro, el elemento más pesado que puede forjarse en el núcleo incluso de las estrellas más masivas. Luego, el colapso gravitacional ocurre nuevamente, desencadenando una explosión de supernova que elimina las capas exteriores de la estrella y la mayor parte de su masa.
En lugar de forjar nuevos elementos, este colapso final del núcleo crea un estado de materia completamente nuevo y exclusivo del interior de las estrellas de neutrones. Negativo electrones y positivo protones se fuerzan a unirse, creando una sopa ultradensa de neutrones, que son partículas neutras. Un aspecto de la física cuántica llamado «presión de degeneración» evita que estos núcleos ricos en neutrones colapsen aún más, aunque esto puede ser superado por estrellas con suficiente masa que colapsen por completo, dando lugar a agujeros negros.
El resultado de esta serie de colapsos es una estrella muerta densa, o estrella de neutrones, con entre una y dos veces la masa de la estrella original, apiñada en un ancho de alrededor de 20 kilómetros (12 millas). Para ponerlo en contexto, la materia que compone las estrellas de neutrones es tan densa que si se trajera una cucharada a la Tierra, pesaría aproximadamente tanto como el Monte Everest. Quizás más.
Sin embargo, estas estrellas extremas no siempre viven (o mueren) aisladas. Algunos sistemas estelares binarios contienen dos estrellas lo suficientemente masivas como para dar origen a estrellas de neutrones. Como estos estrellas de neutrones binarias orbitan entre sí, emiten ondas en el tejido mismo del espacio y el tiempo llamadas ondas gravitacionales.
A medida que estas ondas gravitacionales resuenan desde binarias de estrellas de neutrones, se llevan consigo el momento angular. Esto provoca la pérdida de energía orbital en el sistema binario y hace que las estrellas de neutrones se acerquen. Cuanto más cerca orbitan, más rápido emiten ondas gravitacionales y más rápidamente sus órbitas se estrechan aún más. Finalmente, la gravedad de las estrellas de neutrones toma el control y la Las estrellas muertas chocan y fusionar.
Esta colisión crea «pulverizaciones» de neutrones, enriqueciendo el entorno alrededor de la fusión con versiones libres de estas partículas. Estas pueden ser «agarradas» por los átomos de los elementos de este entorno durante un fenómeno llamado «proceso de captura rápido» (proceso r). Esto crea elementos superpesados que sufren desintegración radiactiva para crear elementos más ligeros que aún son más pesados que el hierro. Piense en oro, plata, platino y uranio. La desintegración de estos elementos también crea una explosión de luz que los astrónomos llaman «kilonova» . «
Los primeros momentos de las colisiones de estrellas de neutrones.
Los neutrinos también se crean durante los primeros momentos de la fusión de una estrella de neutrones cuando los neutrones se separan, dice el equipo, creando electrones y protones. Y los investigadores querían saber qué podría estar pasando durante estos momentos iniciales. Para obtener algunas respuestas, crearon simulaciones que utilizan una enorme cantidad de potencia informática para modelar la fusión de estrellas de neutrones binarias y la física asociada con tales eventos.
Las simulaciones del equipo de Penn State revelaron por primera vez que, durante un breve momento, el calor y la densidad generados por la colisión de una estrella de neutrones son suficientes para atrapar incluso neutrinos, que en todas las demás circunstancias se han ganado sus apodos fantasmales.
«Estos fenómenos extremos amplían los límites de nuestra comprensión de la física, y estudiarlos nos permite aprender cosas nuevas», añadió Radice. «El período en el que las estrellas que se fusionan están fuera de equilibrio es de sólo dos o tres milisegundos, pero al igual que la temperatura, el tiempo aquí es relativo; el período orbital de las dos estrellas antes de la fusión puede ser tan solo un milisegundo.
«En esta breve fase de fuera de equilibrio es cuando ocurre la física más interesante. Una vez que el sistema vuelve al equilibrio, la física se comprende mejor».
El equipo cree que las interacciones físicas precisas que ocurren durante fusiones de estrellas de neutrones podría influir en las señales luminosas de estos poderosos eventos que podrían observarse en la Tierra.
«Cómo Los neutrinos interactúan con la materia de las estrellas. y eventualmente se emiten pueden impactar las oscilaciones de los restos fusionados de las dos estrellas, lo que a su vez puede impactar lo que el electromagnético y señales de ondas gravitacionales «El aspecto de la fusión se verá cuando lleguen a nosotros aquí en la Tierra», dijo en el comunicado el miembro del equipo Pedro Luis Espino, investigador postdoctoral en Penn State y la Universidad de California, Berkeley.Detectores de ondas gravitacionales de próxima generación Podrían diseñarse simulaciones para buscar este tipo de diferencias en las señales. De esta manera, estas simulaciones desempeñan un papel crucial, ya que nos permiten obtener información sobre estos eventos extremos y, al mismo tiempo, fundamentar futuros experimentos y observaciones en una especie de bucle de retroalimentación.
«No hay forma de reproducir estos eventos en un laboratorio para estudiarlos experimentalmente, por lo que la mejor ventana que tenemos para comprender lo que sucede durante una fusión de estrellas de neutrones binarias es a través de simulaciones basadas en matemáticas que surgen de La teoría de la relatividad general de Einstein«.
La investigación del equipo fue publicada el 20 de mayo en la revista. Cartas de reseñas físicas.
Publicado originalmente en espacio.com.
