¿Qué ocurre con los restos creados cuando chocan estrellas muertas extremas?

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Una ilustración de dos estrellas de neutrones colisionando y fusionándose.(Crédito de la imagen: Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science)

Los científicos han descubierto que cuando las estrellas de neutrones colisionan, dejan tras de sí un remanente que no se parece a ninguna de las dos.

Las estrellas de neutrones son las estrellas más extremas del universo, nacidas cuando estrellas masivas mueren y explotan. Estas estrellas están repletas de un material tan denso que, si una cucharadita de éste llegara a la Tierra, pesaría 10 millones de toneladas, por lo que no es de extrañar que, cuando las estrellas de neutrones colisionan, se produzca un acontecimiento de una potencia y una violencia inigualables.

Esta colisión y fusión crea el único entorno en el cosmos lo suficientemente turbulento como para forjar elementos más pesados que el plomo (como el oro, la plata y el plutonio). Estos elementos ni siquiera pueden crearse en los hornos nucleares del corazón de las estrellas más masivas. Pero los restos de las estrellas de neutrones también esconden algo más: un remanente que, según los científicos, debería colapsar rápidamente para dar lugar a un agujero negro completamente nuevo. Queda una pregunta por responder. ¿Cuánto tiempo le quedaría a esta estrella de neutrones ultramasiva hija antes de convertirse en un agujero negro?

«No sabemos cómo se comporta la materia a densidades y temperaturas extremas porque esas condiciones no pueden darse en la Tierra», explicó a universeexpedition.com David Radice, profesor adjunto de Física y Astronomía en la Universidad Estatal de Pensilvania. «Las fusiones de estrellas de neutrones son los supercolisionadores de la naturaleza y, como en los colisionadores de partículas, podemos aprender mucho estudiando el resultado de las colisiones».

En busca de respuestas, Radice dirigió un equipo de investigadores que recurrió a los superordenadores del Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación Energética del Departamento de Energía de Estados Unidos, el Centro de Supercomputación Leibniz de Alemania y el Instituto de Ciencia Computacional y de Datos de la Universidad Estatal de Pensilvania.

«La colisión de dos estrellas de neutrones puede tener dos resultados inmediatos. Podría formarse un agujero negro o una estrella de neutrones caliente remanente muy masiva y posiblemente de corta vida», explica Radice. «Nuestro trabajo se centra en este último escenario. En particular, realizamos las primeras simulaciones que capturan cómo se enfriarían tales remanentes emitiendo neutrinos.»

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El equipo simuló las consecuencias de la colisión de una estrella de neutrones y el interior del remanente de estrella de neutrones. A continuación, los científicos observaron cómo unas diminutas «partículas fantasma» casi sin masa llamadas «neutrinos» arrastraban el calor de esta escena de choque cósmico.

Un laboratorio cósmico como ningún otro

Las estrellas facilitan esencialmente «tiras y aflojas cósmicos» en su interior que duran millones o miles de millones de años. Los dos competidores en esta contienda son el empuje hacia fuera de la energía, o «presión de radiación», generada en el horno nuclear del corazón de una estrella y la fuerza hacia dentro de la propia gravedad de la estrella.

Es una batalla épica, pero sólo hay un ganador: la gravedad. Cuando una estrella masiva ha forjado hierro en su núcleo, como se ha mencionado anteriormente, no puede fusionarlo con elementos más pesados, poniendo fin así a la oleada de presión de radiación hacia el exterior. Al igual que un atleta lo celebra rociando a su entrenador con Gatorade, la gravedad marca su victoria aplastando el núcleo de la estrella. Esto provoca ondas de choque que se propagan por las capas exteriores de la estrella, haciéndolas estallar en una enorme explosión de supernova.

Como resultado, la estrella pierde la mayor parte de su masa – pero hay dos caminos que puede seguir este cadáver estelar. Las estrellas más masivas, con masas superiores a 12 veces la del Sol, crean inmediatamente agujeros negros de masa estelar. Pero las estrellas con una masa entre ocho y 12 veces la del Sol dan lugar a estrellas de neutrones, un resto estelar con una masa entre una y dos veces la del Sol aplastado en un cuerpo rico en neutrones de no más de unas 12 millas (20 kilómetros) de ancho.


Ilustración de una estrella de neutrones comparada con la isla de Manhattan (Crédito de la imagen: Goddard Space Flight Center de la NASA)

Aproximadamente el 75% de las estrellas masivas pasan su vida en una asociación binaria con otra estrella. A menudo, cuando una estrella (normalmente la más masiva, que quema su combustible más rápidamente) se transforma en una estrella de neutrones, la supernova resultante «patea» o destruye a su compañera estelar.

Pero, en algunos casos, la binaria puede sobrevivir a esta transformación, y la otra estrella masiva acaba convirtiéndose también en una estrella de neutrones. El resultado es una estrella de neutrones binaria, pero la historia no acaba ahí.

Cuando estas estrellas de neutrones se arremolinan una alrededor de la otra, son tan masivas y densas que crean ondulaciones en el tejido mismo del espacio y el tiempo (unidos como una entidad única de cuatro dimensiones llamada «espaciotiempo») conocidas como ondas gravitacionales. Cuando las ondas gravitacionales salen de la estrella binaria, arrastran consigo un momento angular. Esto hace que las dos estrellas de neutrones se acerquen y emitan ondas gravitacionales de alta frecuencia a un ritmo cada vez más rápido. Esto continúa hasta que las estrellas finalmente colisionan y se fusionan. Esta fusión emite un último «grito» agudo de ondas gravitatorias y chorros de materia rica en neutrones libres.

Estos neutrones, que suelen encontrarse ligados en núcleos atómicos con protones, son atrapados por otros elementos alrededor del lugar de la fusión, fenómeno denominado «proceso de captura rápida» o «proceso r». Estos átomos se convierten en elementos ultrapesados muy inestables que se desintegran rápidamente en elementos más ligeros (que siguen siendo más pesados que el hierro). Esta desintegración provoca una emisión de luz que los astrónomos llaman «kilonova».

El remanente de estrella de neutrones está rodeado por un anillo de materia que gira rápidamente llamado disco de acreción. Éste sólo puede tener una pequeña parte de la masa del sistema, pero gran parte de su momento angular restante.

Robert Lea

Robert Lea es un periodista científico del Reino Unido cuyos artículos se han publicado en Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek y ZME Science. También escribe sobre comunicación científica para Elsevier y el European Journal of Physics. Rob es licenciado en Física y Astronomía por la Open University del Reino Unido. Sígalo en Twitter @sciencef1rst.

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