Fusión de estrellas de neutrones
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Una fusión de estrellas de neutrones es la colisión estelar de estrellas de neutrones. Cuando dos estrellas de neutrones entran en órbita mutua, se acercan gradualmente formando una espiral hacia adentro debido a la pérdida de energía emitida en forma de radiación gravitacional.[1] Cuando finalmente se encuentran, su fusión lleva a la formación de una estrella de neutrones más masiva o, si la masa del remanente excede el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, 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] El evento inmediato crea un brote de rayos gamma corto (sGRB, por sus siglas en inglés) 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». Esta reacción explica la nucleosíntesis de alrededor de la mitad de los isótopos en elementos más pesados que el hierro.[4]
Las fusiones también producen kilonovas,[5] que son fuentes transitorias de radiación electromagnética isótropa, de onda más larga, debido a la desintegración radiactiva de núcleos pesados del proceso-r que se producen y eyectan durante el proceso de fusión.[6] Las kilonovas se habían discutido como un posible emplazamiento del proceso-r desde que la reacción se propuso por primera vez en 1998,[7] pero el mecanismo se aceptó ampliamente después del evento multimensajero GW170817 observado en 2017 y GW190425 observado en 2019.
Fusiones observadas
El 17 de agosto de 2017, los interferómetros LIGO y Virgo observaron GW170817,[8] una onda gravitacional asociada con la fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones (BNS, por sus siglas en inglés) en NGC 4993, una galaxia elíptica en la constelación Hidra a unos 140 millones de años luz.[9] GW170817 coincidió con el brote de rayos gamma corto GRB 170817 (de aproximadamente 2 segundos de duración) detectado por primera vez 1,7 segundos después de la señal de fusión de GW, y con el evento 2017a del Swope Supernova Survey (SSS17a), un evento de luz visible observado por primera vez 11 horas después.[10][11][12][13][14]
La coincidencia de GW170817 con GRB 170817A tanto en espacio como en tiempo estableció de manera concluyente que las fusiones de estrellas de neutrones producen brotes de rayos gamma cortos. La detección subsiguiente de SSS17a[15] en el área donde se sabía que habían ocurrido GW170817 y GRB 170817A (y sus características esperadas de una kilonova) mostró que las fusiones de estrellas de neutrones también son responsables de las kilonovas.[16]
En 2018, los astrónomos informaron que GRB 150101B, un brote 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, óptica y rayos X, así como la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas, se caracterizaron como «impresionantes», que sugiere que las fusiones de estrellas de neutrones y sus kilonovas asociadas podrían ser más comunes en el universo de lo que se entendía previamente.[17][18][19][20] Más tarde ese año, el Zwicky Transient Facility se unió a la red de rastreo para realizar observaciones de seguimiento desencadenadas por eventos de ondas gravitacionales.[21][22]
También ese año, los científicos presentaron una nueva forma de usar 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.[23][24] Los dos métodos anteriores para encontrar la constante de Hubble (uno basado en corrimientos al rojo y otro en la escalera de distancias cósmicas) discrepan en alrededor del 10 %. Esta diferencia, la tensión de Hubble, podría reconciliarse usando kilonovas como otro tipo de candela estándar.[25]
En abril de 2019, los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo anunciaron la detección de GW190425,[26] un evento candidato cuya probabilidad de ser la fusión de dos estrellas de neutrones es del 99,94 %. A pesar de extensas observaciones de seguimiento, no se pudo identificar ninguna contraparte electromagnética.[27][28][29]
En diciembre de 2022, los astrónomos informaron haber observado GRB 211211A durante 51 segundos, la primera evidencia de un brote de rayos gamma largo asociado con la fusión de un «objeto binario compacto», potencialmente incluyendo un BNS.[30] Tras esto se ha argumentado que tanto GRB 191019A (2019, 64 s)[31] como GRB 230307A (2023, 35 s) pertenecen a esta clase emergente de fusión de estrellas de neutrones como progenitor de brotes de rayos gamma largos.[32] El razonamiento indirecto incluye observaciones conjuntas de kilonovas, por ejemplo, la detección de telurio y lantánidos en el espectro posterior al evento de 2023.[33]
CDT-S XT2 (magnétar)
En 2019, el análisis de datos del observatorio de rayos X Chandra reveló otra fusión binaria de estrellas de neutrones a una distancia de 6600 millones de años luz, una señal de rayos X llamada XT2. La fusión produjo un magnétar; sus emisiones pudieron detectarse durante varias horas.[34]
Efecto en la Tierra
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 brote de rayos gamma corto inicial, la emisión de la desintegración radiactiva de elementos pesados dispersados por el capullo de la sGRB,[35][36] el resplandor posterior de la sGRB en sí,[37] y rayos cósmicos acelerados por la explosión. En orden de llegada, las (inofensivas) ondas gravitacionales llegan primero, los fotones de la sGRB y el resplandor residual segundos a horas después, con las partículas de rayos cósmicos llegando cientos a miles de años más tarde.
La zona letal del componente altamente direccional de la sGRB se extiende cientos de pársecs a lo largo de la dirección de su haz.[38] Estos fotones de rayos gamma de alta energía extinguirían la vida directamente, a través de estrés térmico, ruptura molecular y daño por radiación terminal tanto en plantas como en animales.
Aparte de un impacto desafortunado por un haz direccional de sGRB, cualquier fusión de estrellas de neutrones que ocurra en un radio de 10 parsecs en torno a la Tierra también provocaría la extinción definitiva de la humanidad.[39] El material eyectado podría barrer el medio interestelar y crear una burbuja similar a un resto de supernova, que contiene una dosis letal de rayos cósmicos. Si la Tierra fuera engullida por ese resto, tales rayos cósmicos destruirían la capa de ozono, exponiendo la biosfera de la Tierra a niveles fatales de radiación UVB del Sol.[40] Los rayos 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 en cuevas profundas y bajo el agua. El peligro para la vida reside en la capacidad de estas partículas para alterar el ADN, causando defectos congénitos y mutaciones.[41][42]
En relación con las supernovas, las fusiones de BNS influyen en aproximadamente el mismo volumen de espacio, pero se cree que son mucho más raras, y su componente sGRB más peligroso requeriría que el haz estuviera precisamente orientado hacia la Tierra. Por consiguiente, la amenaza general de un evento BNS respecto a la extinción humana es extremadamente baja.[39]
Véase también
Portal:Astronomía. Contenido relacionado con Astronomía.
Portal:Física. Contenido relacionado con Física.
