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ASTRONOMÍA. Secretos de las estrellas de neutrones revelados por ondas gravitacionales

 

En las últimas etapas de la formación de estrellas de neutrones binarias, la estrella gigante se expande y envuelve a la estrella de neutrones compañera en una etapa conocida como evolución de envoltura común (a). La expulsión de la envoltura deja a la estrella de neutrones en una órbita cercana con una estrella de envoltura desnuda. La evolución del sistema depende de la relación de masa. Las estrellas despojadas menos masivas experimentan una fase de transferencia de masa adicional que despoja aún más a la estrella y recicla al púlsar compañero, lo que lleva a sistemas como las estrellas binarias de neutrones observadas en la Vía Láctea y GW170817 (b). Las estrellas despojadas más masivas no se expanden tanto, por lo tanto, evitan una mayor desintegración y un reciclaje complementario, lo que lleva a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, las estrellas desnudas aún más masivas conducirán a binarias de estrellas de neutrones y agujero negro como GW200115 (d). Fuente: Vigna-Gomez et al.

La confirmación de las ondas gravitacionales en 2017 continúa desbloqueando mundos completamente nuevos de la física, pero también continúa suscitando más preguntas. La detección de cada onda gravitacional trae un nuevo desafío: cómo averiguar qué causó el evento. 

A veces eso es más difícil de lo que parece. Ahora, un equipo dirigido por Alejandro Vigna-Gómez de la Universidad de Copenhague cree haber encontrado un modelo de muerte estelar que ayuda a explicar algunos hallazgos previamente inexplicables, y apunta a una galaxia con muchas más estrellas de neutrones masivas de lo que se pensaba.

En ciencia, es común recopilar datos que no parecen ajustarse a la teoría científica actual. Ese tipo de datos inesperados provienen del segundo hallazgo de ondas gravitacionales del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) . Por lo general, LIGO registraría ondas gravitacionales resultantes de la colisión de dos objetos enormemente densos, como un agujero negro y una estrella de neutrones . En el caso de su segundo registro positivo, registrado inicialmente en 2019 y ahora conocido como GW190425, los datos apuntaban a la fuente como dos estrellas de neutrones fusionadas, pero eran sorprendentemente grandes. 

Las estrellas de neutrones promedio son difíciles de "ver" en el sentido tradicional. Al igual que su primo estrechamente relacionado, el agujero negro, generalmente se forman solo después de que una estrella supermasiva ha implosionado. Sin embargo, ocasionalmente forman púlsares, creando una forma de estrella que es una de las más visibles del universo. Por lo general, la única forma de ver un sistema binario de estrellas de neutrones, como el que creó la señal de onda gravitacional GW190425, es si una de las dos estrellas del sistema es un púlsar y luego interactúa con su vecina estrella de neutrones regular. Pero ninguno de los sistemas de estrellas de neutrones binarios conocidos tenía estrellas lo suficientemente pesadas como para igualar la señal vista por LIGO.

Carecían de tales estrellas en parte debido a que las estrellas más grandes se convirtieron en agujeros negros en lugar de estrellas de neutrones cuando mueren. Sin embargo, las señales gravitacionales provenían de la fusión de estrellas de neutrones gigantes, no de la fusión de agujeros negros. Entonces, ¿qué está causando la formación de estas grandes estrellas de neutrones y por qué no aparecen en pares binarios con púlsares?

Según el Dr. Vigna-Gomez, la respuesta podría estar en un tipo de estrella llamada "estrella desnuda". También llamada estrella de helio, estos objetos estelares solo se forman en sistemas binarios y su capa exterior de hidrógeno es expulsada por la otra estrella del sistema, dejando un núcleo de helio puro. El equipo modeló este tipo de estrellas para comprender qué les sucede después de una supernova. Depende de dos factores: el peso del núcleo que queda y la contundencia de su explosión de supernova.

Utilizando modelos de evolución estelar, el equipo demostró que, en el caso de las estrellas de helio, algunas de las capas externas de helio pueden salir despedidas en la explosión, lo que reduce el peso de la estrella hasta el punto en que ya no puede convertirse en un agujero negro. Eso podría explicar potencialmente de dónde provienen las estrellas de neutrones pesados, pero ¿por qué no se notan más en los sistemas binarios con púlsares?

La respuesta proviene de un proceso estándar en sistemas binarios: transferencia de masa. A menudo, una estrella en un sistema binario pierde parte de su material a la otra estrella, más masiva, en un proceso conocido como transferencia de masa. En los sistemas de estrellas de neutrones, esta transferencia de masa a veces puede convertir una estrella de neutrones en un púlsar. Sin embargo, cuanto más grande es el núcleo de helio de la estrella, es menos probable que se produzca el proceso de transferencia de masa. Entonces, en los sistemas que forman estrellas de neutrones masivas, es menos probable que terminen en un sistema binario con un púlsar. Son más capaces de aferrarse a su masa en lugar de transferirla a su compañero binario, dejando que se ilumine como un púlsar.

Otros datos de LIGO respaldan esta teoría. Parece que las fusiones de estrellas de neutrones pesadas son tan comunes en el universo como las fusiones de estrellas de neutrones ligeramente menos pesadas con púlsares. Podría existir toda una población de grandes sistemas binarios de estrellas de neutrones, invisibles para nuestros métodos de detección habituales. Pero ahora, con LIGO, al menos deberíamos poder ver cuándo se fusionan, y ese es otro paso para comprenderlos verdaderamente.

Para obtener más información sobre esta investigación, consulte Astrofísicos explican los resultados desconcertantes de los observatorios de ondas gravitacionales.

Fuente: “Fallback Supernova Assembly of Heavy Binary Neutron Stars and Light Black Hole–Neutron Star Pairs and the Common Stellar Ancestry of GW190425 and GW200115” by Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schrøder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Aguilera-Dena, Aldo Batta, Norbert Langer and Reinhold Willcox, 8 October 2021, Astrophysical Journal LettersDOI: 10.3847/2041-8213/ac2903

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