Martin Rees dijo una vez: “Cada vez está más claro que, en cierto sentido, el espacio proporciona el único laboratorio que crea con éxito condiciones extremas para probar nuevas ideas de la física de partículas. Las energías del Big Bang fueron mucho más altas de las que podemos alcanzar en la Tierra. Entonces, al buscar evidencia del Big Bang y estudiar cosas como estrellas de neutrones, en realidad estamos estudiando la física fundamental.
Si hay una diferencia significativa entre la relatividad general y la gravedad newtoniana, es esta: en la teoría de Einstein, nada dura para siempre. Incluso si tuviera dos masas absolutamente estables orbitando entre sí, masas que nunca se quemarían, perderían material o cambiarían, sus órbitas se deteriorarían gradualmente. Y si, en la gravedad newtoniana, dos masas giran alrededor de un centro de gravedad común para siempre, la relatividad general nos dice que una pequeña cantidad de energía se pierde cada vez que la masa es acelerada por el campo gravitacional por el que pasa. Esta energía no desaparece, sino que se lleva en forma de ondas gravitacionales. Durante períodos de tiempo suficientemente largos, se irradiará suficiente energía para que las dos masas giratorias se toquen y se fusionen. LIGO ya ha observado esto tres veces con agujeros negros. Pero puede que sea hora de dar el siguiente paso y ver la primera fusión de estrellas de neutrones, dice Ethan Siegel de Medium.com.
Cualquier masa atrapada en esta danza gravitacional emitirá ondas gravitacionales, lo que provocará la interrupción de la órbita. Hay tres razones por las que LIGO descubrió los agujeros negros:
1. Son increíblemente masivos
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2. Son los objetos más compactos del universo.
3. En el último momento de la fusión, giraron a la frecuencia correcta para que pudieran ser fijados por los brazos láser LIGO.
Todo esto en conjunto (masas grandes, distancias cortas y el rango de frecuencia correcto) le da al equipo de LIGO un área de búsqueda enorme en la que pueden buscar a tientas fusiones de agujeros negros. Las ondas de estos bailes masivos se extienden por muchos miles de millones de años luz e incluso llegan a la Tierra.
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Aunque los agujeros negros deben tener un disco de acreción, las señales electromagnéticas que se supone que generan los agujeros negros siguen siendo esquivas. Si la parte electromagnética del fenómeno está presente, debe ser producido por estrellas de neutrones.
El universo tiene muchos otros objetos interesantes que producen grandes ondas gravitacionales. Los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias comen nubes de gas, planetas, asteroides e incluso otras estrellas y agujeros negros todo el tiempo. Desafortunadamente, debido a que sus horizontes de eventos son tan grandes, se mueven extremadamente lentamente en órbita y dan el rango de frecuencia incorrecto para que LIGO los detecte. Las enanas blancas, las estrellas binarias y otros sistemas planetarios tienen el mismo problema: estos objetos son físicamente demasiado grandes y, por lo tanto, orbitan demasiado. Tanto que necesitaríamos un observatorio espacial de ondas gravitacionales para verlas. Pero hay otra esperanza que tiene la combinación correcta de características (masa, compacidad, la frecuencia correcta) para ser vista por LIGO: la fusión de estrellas de neutrones.
Cuando dos estrellas de neutrones se orbitan entre sí, la teoría de la relatividad general de Einstein predice la desintegración orbital y la radiación gravitacional. En las etapas finales de una fusión, que nunca se ha visto en ondas gravitacionales, la amplitud estará en su punto máximo y LIGO podrá detectar el evento.
Las estrellas de neutrones no son tan masivas como los agujeros negros, pero probablemente pueden ser dos o tres veces más masivas que el Sol: alrededor del 10-20% de la masa de los eventos LIGO detectados previamente. Son casi tan compactos como los agujeros negros, con un tamaño físico de solo diez kilómetros de radio. A pesar de que los agujeros negros colapsan en una singularidad, tienen un horizonte de eventos y el tamaño físico de una estrella de neutrones (básicamente un núcleo atómico gigante) no es mucho mayor que el horizonte de eventos de un agujero negro. Su frecuencia, especialmente en los últimos segundos de la fusión, es excelente para la sensibilidad de LIGO. Si el evento ocurre en el lugar correcto, podemos aprender cinco hechos increíbles.
Durante la torsión y fusión en espiral de dos estrellas de neutrones, se debe liberar una enorme cantidad de energía, así como elementos pesados, ondas gravitacionales y una señal electromagnética, como se muestra en la imagen.
¿Las estrellas de neutrones realmente crean explosiones de rayos gamma?
Hay una idea interesante: que los estallidos cortos de rayos gamma, que son increíblemente energéticos pero duran menos de dos segundos, son causados por la fusión de estrellas de neutrones. Provienen de antiguas galaxias en regiones donde no nacen nuevas estrellas, lo que significa que solo los cadáveres estelares pueden explicarlos. Pero hasta que sepamos cómo aparece el estallido corto de rayos gamma, no podemos estar seguros de qué los está causando. Si LIGO puede detectar la fusión de estrellas de neutrones a partir de ondas gravitacionales, y podemos ver un breve estallido de rayos gamma inmediatamente después de eso, esta será la confirmación final de una de las ideas más interesantes de la astrofísica.
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Las dos estrellas de neutrones fusionadas, como se muestra aquí, se arremolinan y emiten ondas gravitacionales, pero son más difíciles de detectar que los agujeros negros. Sin embargo, a diferencia de los agujeros negros, deben devolver parte de su masa al Universo, donde contribuirán allí en forma de elementos pesados.
Cuando las estrellas de neutrones chocan, ¿qué parte de su masa no se convierte en un agujero negro?
Cuando miras los elementos pesados de la tabla periódica y te preguntas cómo se formaron, te viene a la mente una supernova. Después de todo, esta historia está en manos de los astrónomos y es parcialmente cierta. Pero la mayoría de los elementos pesados de la tabla periódica son mercurio, oro, tungsteno, plomo, etc. - realmente nació en colisiones de estrellas de neutrones. La mayor parte de la masa de las estrellas de neutrones, del orden del 90-95%, va a crear un agujero negro en el centro, pero las capas externas restantes son expulsadas, formando la mayoría de estos elementos en nuestra galaxia. Vale la pena señalar que si la masa combinada de dos estrellas de neutrones fusionadas cae por debajo de cierto umbral, formarán una estrella de neutrones, no un agujero negro. Esto es raro, pero no imposible. Y no sabemos exactamente cuánta masa se arroja durante tal evento. Si LIGO registra un evento de este tipo, lo averiguaremos.
Ilustra el rango de Advanced LIGO y su capacidad para detectar fusiones de agujeros negros. Las estrellas de neutrones fusionadas solo pueden caer dentro de una décima parte del rango y tener un 0,1% del volumen habitual, pero si hay muchas estrellas de neutrones, LIGO las encontrará.
¿Hasta dónde puede LIGO ver la fusión de estrellas de neutrones?
Esta pregunta no se trata del universo en sí, sino de cuán sensible es el diseño de LIGO. En el caso de la luz, si el objeto está 10 veces más lejos, será 100 veces más tenue; pero con ondas gravitacionales, si el objeto está 10 veces más lejos, la señal de la onda gravitacional será solo 10 veces más débil. LIGO puede observar agujeros negros a muchos millones de años luz de distancia, pero las estrellas de neutrones solo serán visibles si se fusionan en cúmulos galácticos cercanos. Si vemos una fusión de este tipo, podemos comprobar qué tan bueno es nuestro hardware, o qué tan bueno debería ser.
Cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, como se muestra aquí, deberían crear chorros de rayos gamma, así como otros fenómenos electromagnéticos que, si la Tierra está cerca, serán discernibles por nuestros mejores observatorios.
¿Qué tipo de resplandor queda después de una fusión de estrellas de neutrones?
Sabemos, en algunos casos, que ya se han producido fuertes eventos correspondientes a colisiones de estrellas de neutrones y que dejan firmas en otras bandas electromagnéticas. Además de los rayos gamma, puede haber componentes ultravioleta, ópticos, infrarrojos o de radio. O podría ser un componente multiespectral que aparece en las cinco bandas, en ese orden. Cuando LIGO detecta una fusión de estrellas de neutrones, podemos capturar uno de los fenómenos más asombrosos de la naturaleza.
Una estrella de neutrones, aunque está compuesta de partículas neutras, produce los campos magnéticos más fuertes del universo. Cuando las estrellas de neutrones se fusionan, deberían producir tanto ondas gravitacionales como firmas electromagnéticas.
Por primera vez, podremos combinar la astronomía de ondas gravitacionales con la tradicional
Los eventos anteriores capturados por LIGO fueron impresionantes, pero no hemos tenido la oportunidad de observar estas fusiones a través de un telescopio. Inevitablemente enfrentamos dos factores:
- Las posiciones de los eventos no se pueden determinar con precisión con solo dos detectores, en principio
- Las fusiones de agujeros negros no tienen un componente (luz) electromagnético brillante
Ahora que VIRGO está trabajando en sincronía con dos detectores LIGO, podemos mejorar drásticamente nuestra comprensión de dónde se generan estas ondas gravitacionales en el espacio. Pero lo que es más importante, dado que la fusión de estrellas de neutrones debe tener un componente electromagnético, esto podría significar que, por primera vez, la astronomía de ondas gravitacionales y la astronomía tradicional se utilizarán juntas para observar el mismo evento en el universo.
La espiral de torsión y fusión de dos estrellas de neutrones, como se muestra aquí, debería resultar en una señal de onda gravitacional específica. Además, el momento de fusión debe crear una radiación electromagnética, única e identificable en sí misma.
Ya hemos entrado en una nueva era de la astronomía, en la que utilizamos no solo telescopios, sino también interferómetros. No solo utilizamos la luz, sino también las ondas gravitacionales para ver y comprender el universo. Si aparece una fusión de estrellas de neutrones en LIGO, incluso si es poco común, y la tasa de detección es baja, cruzaremos la siguiente frontera. El cielo gravitacional y el cielo de luz ya no serán extraños el uno para el otro. Estaremos un paso más cerca de comprender cómo funcionan los objetos más extremos del Universo, y tendremos una ventana a nuestro espacio que nadie ha tenido antes.
Ilya Khel
