¿El giro rápido retrasó el colapso de las estrellas de neutrones en un agujero negro en 2017?

En la representación de este artista, la fusión de dos estrellas de neutrones para formar un agujero negro (oculto dentro de un bulto brillante en el centro de la imagen) genera chorros opuestos de partículas de alta energía (azul) que calientan el material alrededor de las estrellas, causando que emitan rayos X (nubes rojizas). El Observatorio de rayos X Chandra todavía está detectando rayos X del evento hoy. Pueden ser causados ​​por una onda de choque en el material alrededor del agujero negro, o por material violento que cae dentro del agujero negro (un disco amarillento alrededor de la protuberancia central). Crédito: datos de rayos X de NASA, CXC y Northwestern Univ./A. discutiendo. Visible por NASA/CXC/M. Weiss

Cuando dos estrellas de neutrones giran una sobre la otra y se fusionan para formar un agujero negro, un evento registrado en 2017 por detectores de ondas gravitacionales y telescopios en todo el mundo, ¿se convertirán instantáneamente en un agujero negro? ¿O lleva un tiempo girar hacia abajo antes de que el colapso gravitatorio a través del horizonte de eventos se convierta en un agujero negro?


Notas en curso para 2017 fusión Por el Observatorio de rayos X Chandra, un telescopio giratorio, este último sugiere: que el objeto compacto se quedó a su alrededor, probablemente solo por un segundo, antes de sufrir un colapso final.

La evidencia está en forma de una radiografía posterior de la fusión, denominada GW170817, que no se habría esperado si se fusionara estrellas de neutrones Instantáneamente colapsó en un agujero negro. La aurora se puede interpretar como un rebote de materia compactada neutrón estrellas, que aró y calentó material alrededor de estrellas de neutrones binarias. Este material ahora caliente ha mantenido los restos brillando constantemente durante más de cuatro años después de que la fusión arrojó el material hacia el exterior en lo que se conoce como kilonova. Las emisiones de rayos X de un chorro de material que Chandra detectó poco después de la fusión aún serían débiles ahora.

Si bien las emisiones de rayos X adicionales que observó Chandra podrían provenir de los desechos en un disco de acreción que orbita alrededor del agujero negro y eventualmente cae en el agujero negro, la astrofísica Raffaella Margotti de la Universidad de California, Berkeley, favorece la hipótesis del colapso tardío, que Se ha predicho teóricamente.

«Si las estrellas de neutrones fusionadas colapsaran directamente en un agujero negro sin una fase intermedia, sería muy difícil explicar el exceso de rayos X que vemos ahora, porque no habría una superficie sólida para que las cosas reboten», dijo. Margotti, profesora asociada de astronomía y física en UC Berkeley: “Vuela a altas velocidades para crear ese resplandor. «Te caerás. Listo. La verdadera razón por la que estoy científicamente entusiasmado es porque podríamos ver algo más desde el avión. Finalmente podríamos obtener información sobre el nuevo objeto compacto».

Margotti y sus colegas, incluida la primera autora Abrajita Hajila, quien fue estudiante de posgrado de Margotti cuando estaba en la Universidad Northwestern antes de mudarse a UC Berkeley, informan su análisis de rayos X en un artículo recientemente aceptado para su publicación en Cartas de revistas astrofísicas.

¿El giro rápido retrasó el colapso de las estrellas de neutrones en un agujero negro en 2017?

Fuentes de rayos X de Chandra, incluido, arriba, un agujero negro formado por la fusión de dos estrellas de neutrones y observado por primera vez en 2017. Crédito: NASA, CXC, Northwestern Univ./A. jaguela

Resplandor radiante de Kilonova

Las ondas gravitacionales generadas por la fusión fueron detectadas por primera vez el 17 de agosto de 2017 por el Observatorio Avanzado de Ondas Gravitacionales Láser (LIGO) en colaboración con Virgo. Los telescopios terrestres y los satélites fueron seguidos rápidamente para registrar una ola de rayos gamma, emisiones visibles e infrarrojas juntas. confirmar la teoría este número artículos pesados Se producen siguiendo tales fusiones dentro de proyectiles calientes que producen una kilonova brillante. Kilonova brilla debido a la luz emitida durante la descomposición de los elementos radiactivos, como el platino y el oro, que se producen en los desechos de fusión.

Chandra también giró para observar GW170817, pero no vio ningún rayo X hasta nueve días después, lo que indica que la fusión también produjo un estrecho chorro de material que, al chocar con la materia que rodea a las estrellas de neutrones, emite un cono de X- rayos que inicialmente no alcanzaron la Tierra. . Solo más tarde, la cabeza del avión se expandió y comenzó a emitir rayos X en el chorro más ancho que se puede ver desde el suelo.

Las emisiones de rayos X del avión aumentaron durante 160 días después de la fusión, después de lo cual aumentaron de manera constante a medida que el avión disminuía su velocidad y se expandía. Pero Hajela y su equipo señalan que desde marzo de 2020, aproximadamente 900 días después de la fusión, hasta fines de 2020, la disminución se detuvo y las emisiones de rayos X se mantuvieron aproximadamente constantes en brillo.

«El hecho de que los rayos X dejaran de desvanecerse tan rápido fue la mejor evidencia que teníamos hasta ahora de detectar algo así como un chorro en los rayos X en esta fuente», dijo Margotti. «Parece que se necesita una fuente completamente diferente de rayos X para explicar lo que estamos viendo».

Los investigadores sugieren que el exceso de rayos X es causado por una onda de choque diferente a los chorros de fusión. Este choque fue el resultado del colapso retrasado de las estrellas de neutrones fusionadas, probablemente porque su rápida rotación contrarrestó brevemente el colapso gravitatorio. Al envolver alrededor de un segundo adicional, la materia alrededor de las estrellas de neutrones obtuvo un rebote adicional que produjo una cola muy rápida de proyectiles de kilonova que crearon el choque.

«Creemos que las emisiones de resplandor residual de kilonova son causadas por material impactado en el medio circular», dijo Margotti. «Es material que estaba en el entorno de las dos estrellas de neutrones que fueron impactadas y calentadas por el borde más rápido de un proyectil kilonova, impulsando la onda de choque».

La radiación solo nos está llegando ahora, dijo, porque tomó tiempo para que el proyectil pesado de kilonova se ralentizara en un entorno de baja densidad y para convertir la energía cinética del proyectil en calor por los choques. Este es el mismo proceso que produce la radio y los rayos X de un avión, pero dado que el avión es mucho más liviano, el entorno lo frena instantáneamente y brilla en rayos X y radios desde tiempos remotos.

¿El giro rápido retrasó el colapso de las estrellas de neutrones en un agujero negro en 2017?

La fusión de dos estrellas de neutrones resultó en un agujero negro (central, blanco) y un estallido de rayos gamma de un estrecho chorro o haz de partículas de alta energía, representado en rojo. Al principio, el avión era angosto e indetectable para Chandra, pero con el tiempo, el material en el avión se desaceleró y se ensanchó (en azul) al chocar con el material circundante, lo que provocó una alta emisión de rayos X cuando el avión quedó a la vista de Chandra. . Es posible que este chorro y su contraparte en la dirección opuesta hayan sido causados ​​por material que cayó sobre el agujero negro después de que se formó. Crédito: NASA/CXC/K.Devona

Los investigadores señalan que una explicación alternativa es que los rayos X provienen de la materia que cae hacia el agujero negro que se formó después de la fusión de las estrellas de neutrones.

«Esta será la primera vez que veamos auroras kilonova o la primera vez que veamos material cayendo en un agujero negro después de una fusión de estrellas de neutrones», dijo el coautor Joe Bright, investigador postdoctoral en UC Berkeley. «Ninguno de los resultados sería muy emocionante».

Chandra es ahora el único observatorio que aún puede detectar la luz de esta colisión cósmica. Sin embargo, las observaciones de seguimiento de Chandra y los radiotelescopios pueden distinguir entre explicaciones alternativas. Si el resplandor residual es una kilonova, se espera que la emisión de radio se detecte nuevamente en los próximos meses o años. Si los rayos X se produjeran al caer material sobre un agujero negro recién formado, la salida de rayos X debería permanecer constante o disminuir rápidamente, y no se detectaría ninguna emisión de radio con el tiempo.

Margutti espera que LIGO, Virgo y otros telescopios capten ondas gravitacionales y ondas electromagnéticas de más fusiones de estrellas de neutrones para que la cadena de eventos que preceden y sigan la fusión se pueda determinar con mayor precisión y ayudar a revelar la física de la formación de agujeros negros. Hasta entonces, GW170817 es el único ejemplo disponible para estudio.

«Un estudio adicional de GW170817 puede tener implicaciones de gran alcance», dijo la coautora Kate Alexander, investigadora postdoctoral también de la Universidad Northwestern. «El descubrimiento de las posteriores auroras de Kilonova significa que la fusión no produjo inmediatamente un agujero negro. En cambio, este objeto puede brindar a los astrónomos la oportunidad de estudiar cómo cae la materia en el agujero negro unos años después de su nacimiento».

Margotti y su equipo anunciaron recientemente que el telescopio Chandra había detectado rayos X en las observaciones de GW170817 realizadas en diciembre de 2021. El análisis de estos datos aún está en curso. No se ha informado de detección de radio asociada con rayos X.


La aurora de Kilonova ha sido observada por primera vez


más información:
La aparición de una nueva fuente de rayos X a partir de la fusión binaria de una estrella de neutrones GW170817, arXiv: 2104.02070 [astro-ph.HE] arxiv.org/abs/2104.02070

La frase¿El giro rápido retrasó el colapso de las estrellas de neutrones en un agujero negro en 2017? (5 de marzo de 2022) Consultado el 5 de marzo de 2022 en https://phys.org/news/2022-03-rapid-collapse-neutron-stars-black.html

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