Fusión de estrellas de neutrones

Una fusión de estrellas de neutrones es la colisión estelar de estrellas de neutrones . Cuando dos estrellas de neutrones caen en órbita mutua, gradualmente se van desintegrando en espiral debido a la pérdida de energía emitida como radiación gravitatoria . ^[1] Cuando finalmente se encuentran, su fusión conduce a la formación de una estrella de neutrones más masiva o, si la masa del remanente excede el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, de un agujero negro . La fusión puede crear un campo magnético que es billones de veces más fuerte que el de la Tierra en cuestión de uno o dos milisegundos. ^[2] Se cree que estos eventos crean breves explosiones de rayos gamma . ^[3]

La fusión de estrellas de neutrones crea momentáneamente un entorno de flujo de neutrones tan extremo que puede producirse el proceso r , que es responsable de la nucleosíntesis de aproximadamente la mitad de los isótopos de elementos más pesados ​​que el hierro. ^[4]

Las fusiones también producen kilonovas , ^[5] que son fuentes transitorias de radiación electromagnética de onda larga isótropa debido a la desintegración radiactiva de núcleos pesados ​​del proceso r que se producen y expulsan durante el proceso de fusión. ^[6] Las kilonovas se habían discutido como un posible sitio del proceso r desde que se propuso la reacción por primera vez en 1999, pero el mecanismo fue ampliamente aceptado después de que se observara el evento multimensajero GW170817 en 2017.

El 17 de agosto de 2017, los interferómetros LIGO y Virgo observaron GW170817 , ^[7] una onda gravitacional asociada con la fusión de dos estrellas de neutrones en NGC 4993 , una galaxia elíptica en la constelación de Hidra a unos 140 millones de años luz de distancia. ^[8] GW170817 coincidió con un breve estallido de rayos gamma (de aproximadamente 2 segundos de duración) , GRB 170817A , detectado por primera vez 1,7 segundos después de la señal de fusión de GW, y un evento observacional de luz visible observado por primera vez 11 horas después, SSS17a . ^{[9] [10] [11] [12] [13]}

La coocurrencia de GW170817 con GRB 170817A tanto en el espacio como en el tiempo implica fuertemente que las fusiones de estrellas de neutrones crean breves explosiones de rayos gamma. La posterior detección del evento Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a) ^[14] en el área donde se sabía que habían ocurrido GW170817 y GRB 170817A, y su presencia de las características esperadas de una kilonova , implica fuertemente que las fusiones de estrellas de neutrones también son responsables de las kilonovas. ^[15]

En febrero de 2018, la Zwicky Transient Facility comenzó a rastrear eventos de estrellas de neutrones a través de la observación de ondas gravitacionales, ^[16] como lo evidencian "muestras sistemáticas de eventos de disrupción de marea ". ^[17] Más tarde ese año, los astrónomos informaron que GRB 150101B , un evento de explosión de rayos gamma detectado en 2015, puede estar directamente relacionado con GW170817 y asociado con la fusión de dos estrellas de neutrones. Las similitudes entre los dos eventos, en términos de rayos gamma , emisiones ópticas y de rayos X , así como en la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas , son "sorprendentes", lo que sugiere que los dos eventos separados pueden ser el resultado de la fusión de estrellas de neutrones, y ambos pueden ser una kilonova, que puede ser más común en el universo de lo que se entendía anteriormente, según los investigadores. ^{[18] [19] [20] [21]}

También en octubre de 2018, los científicos presentaron una nueva forma de utilizar la información de los eventos de ondas gravitacionales (especialmente aquellos que involucran la fusión de estrellas de neutrones como GW170817) para determinar la constante de Hubble , que establece la tasa de expansión del universo . ^{[22] [23]} Los dos métodos anteriores para encontrar la constante de Hubble, uno basado en los desplazamientos al rojo y otro basado en la escala de distancias cósmicas , difieren en aproximadamente un 10%. Esta diferencia, la tensión de Hubble , podría conciliarse utilizando kilonovas como otro tipo de vela estándar . ^[24]

En abril de 2019, los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo anunciaron la detección de un evento candidato que, con una probabilidad del 99,94 %, es la fusión de dos estrellas de neutrones. A pesar de las extensas observaciones de seguimiento, no se pudo identificar ninguna contraparte electromagnética. ^{[25] [26] [27]}

En 2023, se publicó una observación de la kilonova GRB 230307A , que incluía probables observaciones de los espectros de elementos telurio y lantánidos . ^[28]

En 2019, el análisis de los datos del Observatorio de rayos X Chandra reveló otra fusión de estrellas binarias de neutrones a una distancia de 6.600 millones de años luz, una señal de rayos X llamada XT2. La fusión produjo un magnetar ; sus emisiones pudieron detectarse durante varias horas. ^[29]

Los rayos cósmicos emitidos por una fusión de estrellas de neutrones que se produzca a menos de 10 parsecs de la Tierra provocarían la extinción humana concluyente. ^[30] En comparación, para los estallidos de rayos gamma cortos (sGRB), la zona letal se extiende cientos de parsecs. ^[31] Otras fuentes, como las supernovas cercanas a la Tierra, emiten fotones de alta energía en forma de rayos gamma y rayos X ; estos destruirían la capa de ozono de la Tierra , exponiendo a la población a niveles letales de radiación UVB del Sol .

En comparación con estas, las fusiones de estrellas de neutrones son únicas en el sentido de que emiten múltiples fuentes de radiación dañina, incluyendo la emisión de la desintegración radiactiva de elementos pesados ^​​[32] dispersados ​​por el capullo de sGRB, ^[33] el resplandor del sGRB en sí, ^[34] y los rayos cósmicos acelerados por la explosión. En orden de llegada, los fotones son los primeros después de la fusión, y los rayos cósmicos llegan cientos a miles de años después. (Véase: Astronomía de mensajeros múltiples ) El material expulsado barre el medio interestelar y crea una burbuja similar a un remanente de supernova que contiene una dosis letal de rayos cósmicos. Si la Tierra fuera engullida por el remanente, estos rayos cósmicos, como los rayos gamma, agotarían el ozono y podrían interactuar con la atmósfera, produciendo muones de interacción débil . La densidad de flujo de estas partículas generadas sería suficiente para esterilizar el planeta, penetrando incluso profundamente en cuevas y bajo el agua. El peligro para la vida reside en la capacidad de las partículas de alterar el ADN, causando defectos de nacimiento y mutaciones. ^{[35] [36]}

En comparación con las supernovas, las fusiones de estrellas binarias de neutrones (BNS) influyen en un volumen de espacio similar, pero son mucho más raras y tienen una mayor dependencia de la orientación del evento con respecto a la Tierra. En consecuencia, la amenaza general de un evento BNS para la extinción humana es extremadamente baja. ^[30]

Las fusiones de estrellas de neutrones son poco frecuentes, por lo que la mayoría de las estrellas se formarán a partir de nubes de gas que tienen pocos metales del proceso r . Sin embargo, nuestro propio sistema solar se formó a partir de una nube de gas enriquecida con metales pesados. ^{[ cita requerida ]} Esto sugiere que los metales más pesados ​​que el hierro, como los metales del grupo del platino, los elementos de tierras raras y los elementos radiactivos serán más raros en la mayoría de los sistemas solares en comparación con el nuestro.

• Límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff

• Vídeos relacionados (a octubre de 2017 ^[actualizar]):
  • AAAS (02:42) en YouTube
  • Caltech (03:56) en YouTube
  • MIT (00:42) en YouTube
  • SciNews (01:46) en YouTube