Explicación a un estallido cósmico de rayos gamma sin precedentes
Un chorro de larga duración ha sido presentado como posible explicación de lo que generó un estallido de luz en rayos gamma increíblemente luminoso y sin precedentes, registrado en 2022.
Dicho evento ofreció nuevas evidencias observacionales de que pueden producirse explosiones largas de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) como resultado de la fusión de una estrella de neutrones con otro objeto compacto (ya sea otra estrella de neutrones o un agujero negro), un hallazgo que anteriormente se creía que era imposible.
Después de desarrollar la primera simulación numérica que sigue la evolución del chorro en una fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones a grandes distancias, astrofísicos de la Universidad de Northwestern descubrieron que el agujero negro posterior a la fusión puede lanzar chorros de material desde la estrella de neutrones devorada.
Pero los ingredientes clave son la masa del violento remolino de gas (o disco de acreción) que rodea el agujero negro y la fuerza del campo magnético del disco.
En los discos masivos, cuando el campo magnético es fuerte, el agujero negro lanza un chorro de corta duración que es mucho más brillante que cualquier cosa jamás vista en observaciones. Sin embargo, cuando el disco masivo tiene un campo magnético más débil, el agujero negro lanza un chorro con la misma luminosidad y larga duración que el misterioso GRB (apodado GRB211211A) detectado en 2021 y reportado en 2022.
El nuevo descubrimiento, presentado en Astrophysical Journal, no sólo ayuda a explicar los orígenes de los GRB largos, sino que también proporciona información sobre la naturaleza y la física de los agujeros negros, sus campos magnéticos y discos de acreción.
"Hasta ahora, nadie más ha desarrollado ningún trabajo numérico o simulaciones que sigan consistentemente un chorro desde la fusión del objeto compacto hasta la formación del chorro y su evolución a gran escala", dijo Ore Gottlieb de Northwestern, quien codirigió el trabajo. "La motivación de nuestro trabajo fue hacer esto por primera vez. Y lo que encontramos coincidió con las observaciones de GRB211211A".
"Las fusiones de estrellas de neutrones son fenómenos cautivadores de múltiples mensajeros, que dan como resultado ondas gravitacionales y electromagnéticas", dijo en un comunicado Danat Issa de Northwestern, quien codirigió el trabajo con Gottlieb.
"Sin embargo, simular estos eventos plantea un desafío debido a las enormes separaciones de escala espacial y temporal involucradas, así como a la diversa física que opera en estas escalas. Por primera vez, hemos logrado modelar de manera integral toda la secuencia del proceso de fusión de estrellas de neutrones".
Cuando los astrónomos detectaron por primera vez GRB211211A en diciembre de 2021, inicialmente asumieron que el evento de 50 segundos de duración se generó a partir del colapso de una estrella masiva. Pero, mientras examinaban la emisión tardía del GRB largo, llamada resplandor, descubrieron evidencia de una kilonova, un evento raro que sólo ocurre después de la fusión de una estrella de neutrones con otro objeto compacto.
El hallazgo (publicado en Nature en diciembre de 2022) puso patas arriba la creencia arraigada y aceptada desde hacía mucho tiempo de que solo las supernovas podían generar GRB largos.
"GRB 211211A reavivó el interés en el origen de GRB de larga duración que no están asociados con estrellas masivas, pero que probablemente se originan a partir de fusiones binarias compactas", dijo Gottlieb.
Para revelar mejor lo que ocurre durante los eventos de fusión compacta, Gottlieb, Issa y sus colaboradores intentaron simular todo el proceso, desde antes de la fusión hasta el final del evento GRB, cuando los chorros productores de GRB se apagaron.
Debido a que se trata de una hazaña increíblemente costosa desde el punto de vista computacional, nunca antes se había modelado el escenario completo. Gottlieb e Issa superaron ese desafío dividiendo el escenario en dos simulaciones.
Primero, los investigadores realizaron una simulación de la fase previa a la fusión. Luego, tomaron el resultado de la primera simulación y lo conectaron a la simulación posterior a la fusión.
"Debido a que el espacio-tiempo utilizado por las dos simulaciones es diferente, esta reasignación no fue tan sencilla como esperábamos, pero Danat lo descubrió", dijo Tchekhovskoy.
"La conexión en cadena de las dos simulaciones nos permitió hacer el cálculo mucho menos costoso", dijo Gottlieb. "La física es muy complicada en la etapa previa a la fusión porque hay dos objetos. Se vuelve mucho más simple después de la fusión porque sólo hay un agujero negro".
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