Fusión de estrellas de neutrones

La fusión de estrellas de neutrones es la colisión estelar de dos estrellas de neutrones . Cuando dos estrellas de neutrones caen en órbita mutua, gradualmente se acercan en espiral debido a la pérdida de energía emitida como radiación gravitacional . ^{[ 1 ]} Cuando finalmente se encuentran, su fusión conduce a la formación de una estrella de neutrones más masiva o, si la masa del remanente supera el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff , un agujero negro . La fusión puede crear un campo magnético billones de veces más fuerte que el de la Tierra en cuestión de uno o dos milisegundos. ^{[ 2 ]} El evento inmediato crea un estallido de rayos gamma corto (sGRB) visible a cientos de millones, o incluso miles de millones de años luz . ^{[ 3 ]}

La fusión de estrellas de neutrones crea momentáneamente un entorno de flujo de neutrones tan extremo que puede ocurrir el proceso r . ^{[ 4 ]} Esta reacción explica la nucleosíntesis de aproximadamente la mitad de los isótopos en elementos más pesados ​​que el hierro. ^{[ 5 ]}

Las fusiones también producen kilonovas , ^{[ 6 ]} que son fuentes transitorias de radiación electromagnética isotrópica de onda más larga debido a la desintegración radiactiva de núcleos pesados ​​del proceso r que se producen y expulsan durante el proceso de fusión. ^{[ 7 ]} Las kilonovas se habían discutido como un posible sitio del proceso r desde que la reacción se propuso por primera vez en 1998, ^{[ 8 ]} pero el mecanismo fue ampliamente aceptado después de que se observó el evento multimensajero GW170817 en 2017.

El 17 de agosto de 2017, los interferómetros LIGO y Virgo observaron GW170817 , ^{[ 9 ]} una onda gravitacional asociada con la fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones (BNS) en NGC 4993 , una galaxia elíptica en la constelación de Hydra a unos 140 millones de años luz de distancia. ^{[ 10 ]} GW170817 coocurrió con un estallido de rayos gamma corto (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, el evento 2017a del Swope Supernova Survey (SSS17a). ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

La coincidencia espacial y temporal de GW170817 con GRB 170817A estableció de forma concluyente que las fusiones de estrellas de neutrones producen estallidos cortos de rayos gamma. La posterior detección de SSS17a ^{[ 16 ]} en la zona donde se sabía que habían ocurrido GW170817 y GRB 170817A —y el hecho de que presentara las características esperadas de una kilonova— demostró que las fusiones de estrellas de neutrones también son responsables de las kilonovas. ^{[ 17 ]}

En 2018, los astrónomos informaron que GRB 150101B , un estallido de rayos gamma corto mucho más distante detectado en 2015, también podría ser el resultado de la fusión de estrellas de neutrones. Las similitudes entre el evento y GW170817 en términos de emisiones de rayos gamma , ópticas y de rayos X , así como en la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas , se caracterizaron como "sorprendentes", lo que sugiere que las fusiones de estrellas de neutrones y sus kilonovas asociadas podrían ser más comunes en el universo de lo que se creía. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} Más tarde ese año, el Zwicky Transient Facility se unió a la red de seguimiento para observaciones de seguimiento desencadenadas por eventos de ondas gravitacionales. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

También ese año, los científicos presentaron una nueva forma de utilizar la información de 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 . ^{[ 24 ] [ 25 ]} Los dos métodos anteriores para encontrar la constante de Hubble —uno basado en desplazamientos al rojo y otro basado en la escalera de distancias cósmicas— discrepan en aproximadamente un 10 %. Esta diferencia, la tensión de Hubble , podría resolverse utilizando kilonovas como otro tipo de candela estándar . ^{[ 26 ]}

En abril de 2019, los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo anunciaron la detección de GW190425 , ^{[ 27 ]} un evento candidato que, con una probabilidad del 99,94%, corresponde a la fusión de dos estrellas de neutrones. A pesar de las extensas observaciones de seguimiento, no se pudo identificar ninguna contraparte electromagnética. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

En diciembre de 2022, los astrónomos informaron haber observado GRB 211211A durante 51 segundos, la primera evidencia de un GRB largo asociado con la fusión de un "objeto binario compacto", incluyendo potencialmente una BNS. ^{[ 31 ]} Posteriormente, se ha argumentado que GRB 191019A (2019, 64 s) ^{[ 32 ]} y GRB 230307A (2023, 35 s) pertenecen a esta clase emergente de fusión de estrellas de neutrones como progenitor de GRB largos. ^{[ 33 ]} El razonamiento indirecto incluye co-observaciones de kilonovas, por ejemplo, la detección de telurio y lantánidos en el espectro posterior al evento de 2023. ^{[ 34 ]}

Las fusiones de estrellas de neutrones emiten una gama inusualmente diversa de radiaciones que pueden ser dañinas para la vida en la Tierra, incluyendo el estallido inicial de rayos gamma cortos , la emisión de la desintegración radiactiva de elementos pesados ​​dispersados ​​por el capullo del sGRB, ^{[ 36 ] [ 37 ]} el resplandor posterior del sGRB en sí, ^{[ 38 ]} y los rayos cósmicos acelerados por la explosión. En orden de llegada, las ondas gravitacionales (inocuas) llegan primero, los fotones del sGRB y del resplandor posterior segundos u horas después, y las partículas de rayos cósmicos llegan cientos o miles de años más tarde.

La zona letal del componente sGRB altamente direccional se extiende cientos de pársecs en la dirección de su haz. ^{[ 39 ]} Estos fotones de rayos gamma de alta energía extinguirían la vida directamente, a través del estrés térmico, la ruptura molecular y el daño terminal por radiación tanto en plantas como en animales.

Aparte de un impacto desafortunado de un haz sGRB dirigido, cualquier fusión de estrellas de neutrones que ocurriera dentro de 10 pársecs de la Tierra también resultaría en la extinción definitiva de la humanidad . ^{[ 40 ]} El material eyectado 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 destruirían la capa de ozono , exponiendo el bioma terrestre a niveles fatales de radiación UVB del Sol . ^{[ 41 ]} También 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 radica en la capacidad de las partículas para alterar el ADN, causando defectos de nacimiento y mutaciones. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

En comparación con las supernovas, las fusiones de estrellas de neutrones binarias (BNS) influyen en un volumen de espacio similar, pero se consideran mucho más raras, y su componente más peligroso, el estallido de rayos gamma corto (sGRB), requiere que el haz esté orientado con precisión hacia la Tierra. Por consiguiente, la amenaza general de un evento BNS para la extinción humana es extremadamente baja. ^{[ 40 ]}

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