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26 de Febrero de 2020
Astrofísica

Hace falta un «cambio radical» tras la última colisión de estrellas de neutrones

Una fusión entre estrellas de neutrones observada recientemente desafía las expectativas de los astrónomos. Les lleva a poner en duda ideas que parecían muy asentadas sobre las estrellas de neutrones y las supernovas que las crean. «Tenemos que volver a pensarlo todo desde el principio».

Una simulación por ordenador recrea la fusión entre estrellas de neutrones conocida como W190425. La imagen muestra la intensidad de las ondas gravitatorias generadas durante el suceso: el rojo indica las menores intensidades y el azul, las mayores [T. Dietrich (Nikhef), S. Ossokine, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), W. Tichy (Universidad Atlántica de Florida) y la CoRe-collaboration].

El verano pasado, LIGO, el observatorio de ondas gravitatorias, captó por segunda vez la fusión en una de dos estrellas de neutrones. La colisión de esos objetos increíblemente densos, los macizos restos de antiguas explosiones de supernovas, propaga temblores por el espaciotiempo con potencia suficiente para que se los detecte en la Tierra. Pero al contrario que la primera fusión, que se atuvo a lo que se esperaba, esta última ha obligado a los astrofísicos a reconsiderar algunas suposiciones básicas acerca de las cosas que se ocultan en el universo. «Tenemos un dilema», dice Enrico Ramírez Ruiz, de la Universidad de California en Santa Cruz.

La masa excepcionalmentre alta del sistema de las dos estrellas fue la primera indicación de que esa colisión era inusitada. Aunque por sí sola la masa no alarmase, hacía sospechar que iba a haber sorpresas.

En un artículo subido en enero a arXiv, el repositorio de prepublicaciones científicas, Ramírez Ruiz y sus colaboradores sostienen que GW190425, el nombre que se le ha dado al sistema de dos estrellas, pone en entredicho todo lo que creíamos saber sobre las parejas de estrellas de neutrones. Esta última observación parece ser fundamentalmente incompatible con las ideas actuales acerca de la formación de las estrellas de neutrones y de su frecuencia. Por ello, habrá que reconsiderar años de conocimientos que se daban por buenos.

Lejos pero por todas partes

Antes de 2017, cuando el LIGO detectó su primera fusión de estrellas de neutrones, todo lo que sabíamos de este tipo de astro procedía de las observaciones de especímenes bastante cercanos, de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. (De las más o menos 2500 estrellas de neutrones que se conocen, 18 coexisten formando las parejas orbitales a las que se llama estrellas de neutrones binarias). GW190425, por el contrario, está a casi 5000 vías lácteas de distancia.

Desconcierta primero su masa: la total del nuevo sistema es de unos 3,4 soles. Todos los ejemplos de estrellas de neutrones binarias que se conocían tenían alrededor de 2,6 masas solares. La primera binaria de neutrones del LIGO es compatible, si se toman en cuenta los márgenes de error, con ese valor más bajo.

 

Un par extrañamente grande de estrellas de neutrones: hasta el año pasado, ninguna pareja de estrellas de neutrones tenía una masa total de más de 2,9 veces la del Sol; entonces se observó una colisión de estrellas de neutrones con una masa total de 3,4 soles. La diferencia supera el umbral estadístico conocido como «5 sigmas», la regla áurea que determina si sucede algo nuevo e interesante [Lucy Reading-Ikkanda/<em>Quanta Magazine</em>; fuentes: <a href="https://arxiv.org/abs/1902.03300">https://arxiv.org/abs/1902.03300</a> (Vía Láctea); <a href="https://arxiv.org/abs/2001.01761">https://arxiv.org/abs/2001.01761</a> (GW190425); <a href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101">https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101</a> (GW170817)].

Pero la elevada masa combinada es solo el primero de los misterios de la fusión. Asombra aún más la abundancia de grandes estrellas de neutrones que se infiere: basándose en la observación reciente, los científicos del LIGO estimaron que las parejas pesadas son casi tan comunes como los sistemas binarios más ligeros que se habían estado estudiando durante tantos años. Las grandes parejas de estrellas de neutrones tenían que estar por todo el universo, incluida la Vía Láctea. ¿Por qué, entonces, no se las había detectado antes?

Una posibilidad es que cueste detectar esas fusiones porque ocurran muy deprisa. Con un telescopio que solo puede ver gracias a la radiación electromagnética, es decir, todos los telescopios hasta que se inauguró el LIGO, había que mirar en el lugar oportuno en el momento oportuno. Un breve destello emitido por una masiva estrella de neutrones podía pasar desapercibido. «Si un tipo de binaria se fusiona muy deprisa, estadísticamente será muy improbable que se pueda captar una de esas fusiones cuando suceda», explica Salvatore Vitale, astrofísico del Instituto de Tecnología de Massachusetts que forma parte de la colaboración del LIGO.

LIGO cambia el cálculo. Es un detector omnidireccional de ondas gravitatorias que vigila el cielo entero. Vitale y los demás en el equipo creen que dieron con algo que hasta el advenimiento de la astronomía de ondas gravitatorias era prácticamente invisible.

El problema más significativo con esta abundancia oculta de estrellas de neutrones gigantes, no obstante, es que no sabemos explicar por qué hay tantas.

Para empezar, si hay tantas parejas de estrellas de neutrones de masa alta como de estrellas de neutrones más ligeras, se esperará que encontrásemos tantas estrellas pesadas (las que crearían a las estrellas de neutrones de masa alta) como estrellas más ligeras. Pero no es así. Se calcula que menos del 10 por ciento de las estrellas son lo suficientemente grandes para que creen estrellas de neutrones de masa tan elevada. «Hay indicios que causan confusión procedentes de métodos muy diferentes», dice Ramírez Ruiz.

El misterio no acaba ahí. Las mejores simulaciones por ordenador de la evolución estelar no pueden explicar la cantidad de esas parejas pesadas que se ha calculado.

Los científicos suelen usar simulaciones por ordenador para modelizar procesos complicados a lo largo de vastos períodos de tiempo. En este caso, los autores modelizaron el ciclo de vida de los objetos estelares compactos a lo largo de miles de millones de años. «Se introduce un montón de estrellas y se le dice al programa cómo explotan», explica Vitale. Entonces, «se deja que se ejecute por el equivalente de unos millones o miles de millones de años, y se mira el resultado».

Para ofrecer una simulación fiel del universo, el programa incluye los efectos de la relatividad, el magnetismo y la radiación gravitatoria, y muchos más. También hace determinadas suposiciones sobre detalles mal conocidos, como la cantidad de gas que cae sobre una estrella tras una explosión de supernova en relación con la que se pierde en el espacio. Estas suposiciones dan a los investigadores una amplia gama de datos de entrada para el programa dentro de los límites de lo físicamente verosímil.

Pero, no importaba qué datos de entrada cargase en la simulación, el equipo no pudo generar un número de pares de estrellas de neutrones remotamente cercano al predicho por el LIGO. «Si es una estrella de neutrones binaria, le esperan muchas preguntas», según Mohammadtaher Safarzadeh, astrofísico de Santa Cruz que dirigió la investigación. Como él y sus colaboradores escriben en el artículo, una tasa de fusiones elevada exige «un cambio radical en nuestras ideas sobre las explosiones de supernova».

Los investigadores advierten, sin embargo, de que es notorio que las simulaciones de supernovas son muy complejas y difíciles. Es sabido que los modelos en que se basan son «sumamente aproximativos», dice Safarzadeh, «y decir que son sumamente aproximativos es todavía demasiado amable». Vitale está de acuerdo: «es un problema muy, muy difícil de simular». No obstante, una disparidad tan aguda entre la teoría y las observaciones es inquietante. «Pide que se actúe», dice Ramírez Ruiz: está urgiendo a los científicos a repensar la formación de esas estrellas.

No se conocen bien muchos aspectos de la evolución de las estrellas binarias, como, por ejemplo, la manera en que sus componentes intercambian masa y se acercan lo suficiente para fusionarse. «Sabemos mucho de la formación y la evolución de las estrellas, pero muy poco de buena parte de la física que rige la producción de binarias compactas», dice Ben Farr, físico de la Universidad de Oregón y miembro de la colaboración del LIGO.

Como resultado, los modelos en que se basan las simulaciones incorporan muchas suposiciones. Más aún, todos se basan en la observación de púlsares de la Vía Láctea. «Tenemos una población de estrellas tipo púlsar, la que vemos, y todos los modelos de la población de binarias están pensados para explicar la población de púlsares», dice Ramírez Ruiz. «De pronto, el LIGO va y dice que, bueno, esa población no es representativa de la población de estrellas de neutrones dobles. Así que tenemos que reconsiderar el paradigma de su ensamblaje y cómo se hacen.»

Los hallazgos del artículo, por lo tanto, están impeliendo a los astrofísicos a reexaminar lo que creían que sabían de las estrellas de neutrones. «Tenemos que volver a pensarlo todo desde el principio», dice Ramírez Ruiz, «lo que me parece apasionante».

Dana Najjar / Quanta Magazine

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «GW190425 is inconsistent with being a binary neutron star born from a fast merging channel», de Mohammadtaher SafarzadehEnrico Ramírez Ruiz y Edo Berger en arXiv: 2001:04502 [astro-ph.HE].

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