Científicos confirman que dos estallidos largos de rayos gamma provinieron del colapso de estrellas de neutrones
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos ha confirmado que dos inusuales estallidos de rayos gamma de larga duración, GRB 211211A y GRB 230307A, fueron producidos por el colapso de estrellas de neutrones en agujeros negros. Los hallazgos, publicados en The Astrophysical Journal Letters, proporcionan la confirmación más detallada hasta la fecha de un mecanismo que durante mucho tiempo se ha teorizado pero que ha sido difícil de probar.
Los estallidos de rayos gamma se dividen en dos grandes clases según su duración. Los estallidos cortos, que duran menos de dos segundos, están asociados con la fusión de dos estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones y un agujero negro. Los estallidos largos, que duran más de dos segundos, están vinculados al colapso de estrellas masivas, un proceso llamado colapsar. Pero GRB 211211A, detectado en 2021, y GRB 230307A, detectado en 2023, desdibujaron esta clasificación ordenada. Ambos eran estallidos de larga duración, sin embargo, sus resplandores mostraron firmas que parecían kilonovas, los eventos explosivos tradicionalmente vinculados a fusiones de estrellas de neutrones.
Esta ambigüedad dejó a los astrofísicos con dos posibilidades: o la clasificación tradicional era incorrecta y las fusiones de estrellas de neutrones podían producir estallidos largos, o el modelo de colapsar era más versátil de lo que se entendía anteriormente.
Simulaciones con supercomputadoras resuelven la cuestión
El equipo de Los Álamos, liderado por el investigador posdoctoral Marko Ristic, recurrió a la supercomputadora Chicoma para modelar la nucleosíntesis que ocurre en cada escenario. El diagnóstico clave fue la producción de elementos pesados. Se sabe que las fusiones de estrellas de neutrones producen toda la gama de elementos del proceso r, incluidos los más pesados, como el oro, el platino y el uranio. Los colapsares, por el contrario, producen solo elementos más ligeros del proceso r.
Las simulaciones mostraron que las firmas de kilonova observadas de ambos GRB coincidían casi exactamente con las predicciones del modelo de colapsar. Los rendimientos de elementos carecían de los elementos muy pesados que se esperarían de una fusión, mientras que coincidían con el patrón más ligero del proceso r característico de un colapsar.
“Estamos confirmando que estos dos estallidos largos de rayos gamma son colapsares, a pesar del hecho de que tienen emisiones de kilonova que previamente hicieron pensar a los científicos que podrían ser fusiones de estrellas de neutrones”, dijo Ristic. “Los GRB representan algunas de las situaciones más intensas y exóticas del universo. Es un privilegio usar las computadoras más potentes del mundo para simularlos.”
Cómo es un colapsar
En el mecanismo de colapsar, una estrella masiva que gira rápidamente agota su combustible nuclear y su núcleo colapsa. El colapso primero produce una estrella de neutrones, pero la entrada continua de materia abruma la estructura de la estrella de neutrones y esta colapsa aún más hasta convertirse en un agujero negro. El giro del agujero negro y el disco de acreción circundante lanzan chorros relativistas que perforan las capas externas de la estrella, produciendo el estallido de rayos gamma.
La idea clave del estudio de Los Álamos es que los chorros del colapsar pueden producir una señal similar a una kilonova a través de la desintegración radiactiva de elementos recién sintetizados, sin requerir la participación de estrellas de neutrones en fusión. Los eyecciones son calentadas por la desintegración de isótopos como el níquel-56, produciendo un transitorio óptico e infrarrojo que se asemeja a una kilonova de fusión pero con una huella química distintiva.
“La evidencia sugiere firmemente que las kilonovas son más variadas y difíciles de interpretar de lo que pensábamos”, dijo Matthew Mumpower, físico teórico de Los Álamos y coautor del estudio. “Esto significa que no todas las emisiones similares a kilonovas están asociadas con la producción de los elementos más pesados, como el oro.”
Implicaciones para la ciencia de los GRB
Los hallazgos preservan la clasificación tradicional de corto-fusión, largo-colapsar pero con un matiz importante: los GRB largos pueden producir señales similares a kilonovas, y la diversidad de observaciones de kilonovas es mayor de lo que se entendía anteriormente. Observaciones futuras, particularmente aquellas que combinen detectores de ondas gravitacionales con telescopios electromagnéticos, serán necesarias para desentrañar completamente las poblaciones progenitoras.
“Este trabajo muestra que el progreso rápido requiere computación a gran escala para confrontar los modelos con los datos”, dijo Mumpower. “Estos hallazgos informarán futuras campañas de LIGO, Virgo, KAGRA y la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales.”
Para los dos GRB en cuestión, el origen de colapsar ahora está confirmado. Ambos eventos fueron detectados por el Monitor de Estallidos de Rayos Gamma Fermi de la NASA, uno de los caballos de batalla de la astrofísica de altas energías, y seguidos por observatorios terrestres de todo el mundo. El modelado detallado del equipo de Los Álamos proporciona el eslabón perdido entre la luz observada y la física subyacente.
Traducido por Alessandra