Una nueva investigación que utiliza simulaciones por computadora y datos astronómicos encuentra que algunos estallidos de rayos gamma (GRB) de larga duración son causados por fusiones cósmicas que forman agujeros negros, desafiando las teorías anteriores de que los GRB son causados enteramente por el colapso de estrellas. Este avance proporciona una comprensión más completa del origen de los estallidos de rayos gamma.
Los astrofísicos del Instituto Fratillon y sus colegas han utilizado simulaciones por computadora de última generación para brindarnos una comprensión más clara de cómo los agujeros negros generan las explosiones más energéticas del universo.
Simulaciones por computadora de última generación combinadas con cálculos teóricos están ayudando a los astrónomos a comprender mejor los orígenes de algunos de los fenómenos luminosos más energéticos y misteriosos del universo: los estallidos de rayos gamma (GRB). El nuevo modelo unificado confirma que algunos estallidos de rayos gamma de larga duración se producen después de fusiones cósmicas que crearon pequeños agujeros negros rodeados por un disco gigante de materia prima.
Anteriormente, los astrónomos pensaban que los agujeros negros que crean GRB largos normalmente se forman cuando las estrellas masivas colapsan. Sin embargo, nuevos modelos muestran que también podrían crearse cuando dos objetos densos se fusionan, como un par de estrellas de neutrones (los restos densos y muertos de estrellas masivas) o un agujero negro y una estrella de neutrones. Los hallazgos explican los GRB largos observados recientemente, que los astrónomos no han podido vincular con el colapso estelar.
Los creadores de la simulación publicaron sus resultados el 29 de noviembre en The Astrophysical Journal Letters.
Las simulaciones muestran cómo la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones crea poderosos chorros y vientos que crean explosiones de rayos gamma. Un nuevo estudio propone un marco que vincula la física de tales fusiones con las observaciones de estallidos de rayos gamma. Las investigaciones han descubierto que las fusiones de objetos masivos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones pueden producir explosiones duraderas de rayos gamma. Fuente: Ole Gottlieb
"Nuestros hallazgos conectan las observaciones con la física fundamental y unifican muchas preguntas sin respuesta en el campo de los estallidos de rayos gamma", dijo Ore Gottlieb, autor principal del nuevo estudio e investigador del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. "Por primera vez, podemos saber qué sucede antes de que se forme un agujero negro mediante observaciones de GRB".
Los GRB son los eventos más brillantes y violentos del universo. Los GRB han deslumbrado y desconcertado a los astrónomos desde que fueron detectados por primera vez en 1967. Incluso después de décadas, el mecanismo exacto que produce potentes estallidos de rayos gamma sigue siendo incierto. A lo largo de los años, los astrónomos han notado dos tipos distintos de estallidos de rayos gamma: uno que dura menos de un segundo y otro que dura 10 segundos o más. Los investigadores finalmente determinaron que los GRB cortos se originan a partir de chorros emitidos después de la fusión de dos objetos compactos, mientras que los GRB largos pueden ocurrir en chorros emitidos cuando colapsan estrellas masivas en rotación. Pero durante el año pasado, dos observaciones inusuales de GRB largos han demostrado que no son sólo los gigantes que colapsan los que causan los GRB largos.
Gottlieb y sus colegas realizaron simulaciones de última generación para probar cómo las fusiones de objetos compactos y masivos podrían desencadenar explosiones de rayos gamma. Las nuevas simulaciones tardaron varios meses y se realizaron en parte en una supercomputadora del Instituto Fratilon. La nueva simulación comienza cuando los dos objetos compactos están en órbita cercana y sigue los chorros hasta que se alejan del lugar de fusión. Este enfoque permite a los investigadores hacer menos suposiciones sobre la física involucrada. Combinando simulaciones con limitaciones de datos astronómicos, los científicos construyeron un modelo unificado del origen de los GRB.
Los investigadores determinaron que el inusual GRB se creó tras la fusión de dos objetos compactos. La fusión crea un agujero negro rodeado por un gran disco de acreción (una rosquilla de material magnético sobrante que gira rápidamente) que puede emitir GRB largos. Esta información de las simulaciones ayuda a los astrónomos a comprender no sólo los objetos que producen estos estallidos de rayos gamma, sino también lo que sucede antes de ellos.
Las simulaciones muestran cómo la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones crea poderosos chorros y vientos que crean explosiones de rayos gamma. Un nuevo estudio propone un marco que vincula la física de tales fusiones con las observaciones de estallidos de rayos gamma. Las investigaciones han descubierto que las fusiones de objetos masivos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones pueden producir explosiones duraderas de rayos gamma. Fuente: Ole Gottlieb
Gottlieb dijo: "Si vemos una larga explosión de rayos gamma como la observada en 2022, ahora sabemos que proviene de un agujero negro con un disco masivo. Sabiendo que hay un disco masivo, ahora podemos calcular la relación de masa de los dos cuerpos padres, porque su relación de masa está relacionada con las propiedades del disco. Por ejemplo, la fusión de estrellas de neutrones con masas desiguales producirá inevitablemente GRB con duraciones más largas".
Los científicos esperan utilizar este modelo unificado para determinar qué objetos producen GRB cortos. El modelo sugiere que estas explosiones podrían ser causadas por agujeros negros con discos de acreción más pequeños, o por un tipo de objeto conocido como estrella de neutrones supermasiva, una forma inestable de estrella que colapsa rápidamente para formar un agujero negro, no sin antes emitir un pulso GRB corto. Los científicos esperan que con más observaciones de GRB puedan perfeccionar aún más sus simulaciones para determinar el origen de todos los GRB. Si bien las observaciones de GRB siguen siendo relativamente raras, los astrónomos pretenden capturar más GRB cuando el Observatorio Vera C Rubin comience las observaciones a principios de 2025.
"A medida que hagamos más observaciones de GRB de diferentes duraciones de pulso, seremos más capaces de detectar el motor central que impulsa estos eventos extremos", dijo Gottlieb.