Pregúntele a Ethan: ¿Por qué la luz llegó 1.7 segundos después de las ondas gravitacionales en la fusión de la estrellas de neutrones?
Ilustración del artista de dos estrellas de neutrones fusionadas. La rejilla ondulante espacio-tiempo representa las ondas gravitacionales emitidas por la colisión, mientras que los haces estrechos son los chorros de rayos gamma que se disparan solo unos segundos después de las ondas gravitacionales (detectadas como un estallido de rayos gamma por los astrónomos). Crédito de la imagen: NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet
Por Ethan Siegel, para Forbes Octubre 28 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas.
El 17 de agosto, después de un viaje que duró 130 millones de años, la señal de la onda gravitacional de dos estrellas de neutrones, en espiral hacia el interior en las etapas finales de una fusión, finalmente llegó a la Tierra. Cuando las superficies de las dos estrellas colisionaron, la señal terminó bruscamente, y luego no hubo nada. Aunque estos cadáveres estelares, quizás de solo 20 kilómetros de diámetro, se movían a un 30% de la velocidad de la luz, no vimos nada inmediatamente después. Solo 1.7 segundos después llegó la primera señal: luz en forma de rayos gamma. ¿Por qué ocurrió esta demora? Es una pregunta increíble, y lo que Joel Mills quiere saber:
Echemos un vistazo a lo que vimos y tratemos de descubrir por qué existió esta demora.
Las estrellas de neutrones, cuando se fusionan, pueden exhibir ondas gravitacionales y señales electromagnéticas casi simultáneamente. Pero los detalles de la fusión son bastante desconcertantes, ya que los modelos teóricos no coinciden exactamente con lo que hemos observado. Crédito de la imagen: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.
A medida que las estrellas de neutrones se inspiraban y se fusionaban, la señal de la onda gravitacional se hacía más y más fuerte. A diferencia de la fusión de agujeros negros, no hay horizonte de eventos ni singularidad en el núcleo. Para las estrellas de neutrones, hay una superficie "dura" compuesta principalmente de neutrones (90%) con otros núcleos atómicos (y algunos electrones) en el borde. Cuando esas dos superficies colisionan entre sí, se anticipa que se producirá una reacción nuclear grave y descontrolada, que dará como resultado:
la expulsión de una cantidad significativa de materia, muchas veces la masa de Júpiter,
la formación de un objeto colapsado central, probablemente un agujero negro después de no más de unos pocos cientos de milisegundos para estas masas particulares,
y luego la aceleración y eyección del material que rodea los objetos fusionados.
Sabíamos que cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, como se simula aquí, crean chorros de explosión de rayos gamma, así como otros fenómenos electromagnéticos. Pero por qué la explosión de rayos gamma ocurrió 1.7 segundos después de la fusión gravitacional de las estrellas de neutrones aún no tiene una respuesta definitiva. Crédito de la imagen: NASA / Instituto Albert Einstein / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz y L. Rezzolla
Ahora sabemos, gracias a las observaciones recopiladas de más de 70 telescopios y satélites, desde rayos gamma hasta longitudes de onda de radio, que de aquí proviene la mayoría de los elementos más pesados de la tabla periódica. Sabemos que una estrella de neutrones de rotación rápida probablemente se formó en el núcleo durante una fracción de segundo y luego se colapsó en un agujero negro. Y sabemos que la primera señal electromagnética de esta fusión, los rayos gamma de alta energía, llegó solo 1.7 segundos después de que las señales de la onda gravitacional llegaron a su fin. En un período de tiempo de esos 130 millones de años que la luz viaja, esto significa que la onda gravitacional y las señales electromagnéticas viajan a la misma velocidad a mejor que una parte en una mil billonesima: 1 en 10^15.
En los momentos finales de la fusión, dos estrellas de neutrones no solo emiten ondas gravitatorias, sino una explosión catastrófica que hace eco en todo el espectro electromagnético. La diferencia de tiempo de llegada entre la luz y las ondas gravitacionales nos permite aprender mucho sobre el Universo. Crédito de la imagen: University of Warwick / Mark Garlick
¿Pero por qué los rayos gamma llegaron aquí después? ¿Por qué simplemente no llegaron al mismo tiempo que las ondas gravitacionales? Hay dos posibles escenarios posibles:
1. Los rayos gamma no se emitieron hasta 1.7 segundos después del primer contacto de las superficies de la estrella de neutrones,
2. O los rayos gamma se emitieron casi de inmediato y se retrasaron a medida que atravesaban la materia circundante.
Estas dos posibilidades contienen la advertencia de que la verdadera respuesta podría ser una combinación de ambos factores o una alternativa poco probable que involucre la física exótica (como una velocidad ligeramente diferente para las ondas gravitatorias y las ondas electromagnéticas).
Examinemos cómo podrían funcionar ambos escenarios
Durante una inspiración y fusión de dos estrellas de neutrones, se debe liberar una gran cantidad de energía, junto con elementos pesados, ondas gravitatorias y una señal electromagnética, como se ilustra aquí. Crédito de la imagen: NASA / JPL
Retraso en la emisión de rayos gamma: cuando dos estrellas de neutrones colisionan, sabemos que generan rayos gamma. Ha sido durante mucho tiempo la teoría principal, durante más de 20 años, de que el origen de los estallidos cortos de rayos gamma se debe a la colisión de las estrellas de neutrones, una imagen que ha sido espectacularmente confirmada por el evento GW170817. Pero se generan rayos gamma:
Si se trata de una de las dos últimas opciones, estos rayos gamma deben retrasarse. A las estrellas de neutrones les toma tiempo fusionarse, expulsar material, hacer que ese material colisione con la materia circundante y luego que ese material altamente energético emita rayos gamma. Si el material está a una distancia significativa de la estrella de neutrones, como decenas o cientos de miles de kilómetros de distancia, eso explicaría simplemente la demora.
link:
Alternativamente, si los rayos gamma no se generan en la superficie, sino en el interior de las estrellas de neutrones en colisión, esperaríamos que hubiera una demora ya que la luz tardará en propagarse a la superficie de la estrella de neutrones, donde podría ser liberado. Las ondas gravitatorias no se retrasan al tener que viajar a través de la materia densa, pero la luz sí lo hace. Esto sería extremadamente análogo a lo que observamos durante la supernova que vimos en 1987, donde los neutrinos (que no se retrasan al pasar por la materia) llegaron cuatro horas antes que las primeras señales de luz, debido al hecho de que la luz se desaceleró por su necesidad de pasar a través de una gran cantidad de materia. Cualquiera de estas explicaciones podría causar un retraso en la emisión de rayos gamma.
Ilustración de una ráfaga rápida de rayos gamma, que durante mucho tiempo se pensó que ocurriría a partir de la fusión de estrellas de neutrones. El entorno rico en gases que los rodea podría retrasar la llegada de la señal. Crédito de la imagen: ESO
Emisión inmediata, pero retraso en la llegada de los rayos gamma: este es el otro escenario principal. Incluso si los rayos gamma se emiten de inmediato, todavía tienen que atravesar el entorno rico en materia que rodea a la estrella de neutrones. Tiene que ser rico en materia, porque con estrellas de neutrones que se mueven tan rápido (cerca de la velocidad de la luz) a través del espacio, y con los intensos campos magnéticos que producen, el material se eyectará y se despojará mientras se fusionan. Este baile ha estado ocurriendo durante mucho tiempo, por lo que definitivamente hay una gran cantidad de materia por la que la luz debe atravesar antes de que llegue a nuestros ojos.
¿Hay suficiente materia para causar esa demora de 1.7 segundos? Podría haber, y esa es la otra opción principal.
El pulsar Vela, como todos los púlsares, es un ejemplo de un cadáver de estrella de neutrones. El gas y la materia que lo rodea es bastante común, y alrededor de las estrellas de neutrones observadas en GW170817, podría ser responsable de la demora. Crédito de la imagen: NASA / CXC / PSU / G.Pavlov et al.
La forma en que llegaremos a la respuesta implica una combinación de examinar más eventos en una variedad de rangos de masa: debajo de una masa combinada de 2.5 masas solares (donde debería obtener una estrella de neutrones estable), entre 2.5 y 3 masas solares (como el evento que vimos, donde obtienes una estrella de neutrones temporal que se convierte en un agujero negro), y más de 3 masas solares (donde vas directamente a un agujero negro), y midiendo las señales de luz. También aprenderemos más atrapando la fase inspiral más rápido y siendo capaces de apuntar hacia la fuente anticipada antes de la fusión. Como LIGO / Virgo y otros detectores de ondas gravitacionales entran en funcionamiento y se vuelven más sensibles, mejoraremos cada vez más.
El remanente de la supernova 1987a, ubicado en la Gran Nube de Magallanes a unos 165,000 años luz de distancia. El hecho de que los neutrinos llegaran horas antes de la primera señal de luz nos enseñó más sobre la duración que tarda la luz en propagarse a través de las capas de una estrella de la supernova que sobre la velocidad a la que viajan los neutrinos, que era indistinguible de la velocidad de la luz. Crédito de la imagen: Noel Carboni y ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator
Las ideas exóticas, como una velocidad diferente para la gravedad y la luz, son completamente innecesarias para explicar esta observación. Múltiples líneas de pensamiento diferentes que involucran la física convencional podrían tener éxito al describir por qué ocurrió un pequeño retraso de 1.7 segundos. Mientras que las ondas gravitatorias simplemente atraviesan la materia sin perturbaciones, la luz interactúa electromagnéticamente con ellas, y eso podría marcar la diferencia en el mundo. Sin embargo, a diferencia de las supernovas, los objetos (estrellas de neutrones) que dan lugar a estallidos de rayos gamma son muy pequeños, por lo que, donde sea que se encuentre la solución, probablemente se trate de comprender un evento catastrófico en escalas de tiempo extremadamente cortas. Mientras los teóricos compiten por ponerse al día, los datos ya están aquí. El próximo evento podría marcar la diferencia en el mundo.
Envía tus preguntas para Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com!
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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Comenzó con una explosión...
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
Ilustración del artista de dos estrellas de neutrones fusionadas. La rejilla ondulante espacio-tiempo representa las ondas gravitacionales emitidas por la colisión, mientras que los haces estrechos son los chorros de rayos gamma que se disparan solo unos segundos después de las ondas gravitacionales (detectadas como un estallido de rayos gamma por los astrónomos). Crédito de la imagen: NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet
Por Ethan Siegel, para Forbes Octubre 28 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas.
El 17 de agosto, después de un viaje que duró 130 millones de años, la señal de la onda gravitacional de dos estrellas de neutrones, en espiral hacia el interior en las etapas finales de una fusión, finalmente llegó a la Tierra. Cuando las superficies de las dos estrellas colisionaron, la señal terminó bruscamente, y luego no hubo nada. Aunque estos cadáveres estelares, quizás de solo 20 kilómetros de diámetro, se movían a un 30% de la velocidad de la luz, no vimos nada inmediatamente después. Solo 1.7 segundos después llegó la primera señal: luz en forma de rayos gamma. ¿Por qué ocurrió esta demora? Es una pregunta increíble, y lo que Joel Mills quiere saber:
Por favor, discuta la importancia de los 1.7 segundos. diferencia en el tiempo de llegada entre GW y ráfaga de Rayos Gamma para el reciente evento estrella de Neutrón.
Echemos un vistazo a lo que vimos y tratemos de descubrir por qué existió esta demora.
Las estrellas de neutrones, cuando se fusionan, pueden exhibir ondas gravitacionales y señales electromagnéticas casi simultáneamente. Pero los detalles de la fusión son bastante desconcertantes, ya que los modelos teóricos no coinciden exactamente con lo que hemos observado. Crédito de la imagen: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.
A medida que las estrellas de neutrones se inspiraban y se fusionaban, la señal de la onda gravitacional se hacía más y más fuerte. A diferencia de la fusión de agujeros negros, no hay horizonte de eventos ni singularidad en el núcleo. Para las estrellas de neutrones, hay una superficie "dura" compuesta principalmente de neutrones (90%) con otros núcleos atómicos (y algunos electrones) en el borde. Cuando esas dos superficies colisionan entre sí, se anticipa que se producirá una reacción nuclear grave y descontrolada, que dará como resultado:
la expulsión de una cantidad significativa de materia, muchas veces la masa de Júpiter,
la formación de un objeto colapsado central, probablemente un agujero negro después de no más de unos pocos cientos de milisegundos para estas masas particulares,
y luego la aceleración y eyección del material que rodea los objetos fusionados.
Sabíamos que cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, como se simula aquí, crean chorros de explosión de rayos gamma, así como otros fenómenos electromagnéticos. Pero por qué la explosión de rayos gamma ocurrió 1.7 segundos después de la fusión gravitacional de las estrellas de neutrones aún no tiene una respuesta definitiva. Crédito de la imagen: NASA / Instituto Albert Einstein / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz y L. Rezzolla
Ahora sabemos, gracias a las observaciones recopiladas de más de 70 telescopios y satélites, desde rayos gamma hasta longitudes de onda de radio, que de aquí proviene la mayoría de los elementos más pesados de la tabla periódica. Sabemos que una estrella de neutrones de rotación rápida probablemente se formó en el núcleo durante una fracción de segundo y luego se colapsó en un agujero negro. Y sabemos que la primera señal electromagnética de esta fusión, los rayos gamma de alta energía, llegó solo 1.7 segundos después de que las señales de la onda gravitacional llegaron a su fin. En un período de tiempo de esos 130 millones de años que la luz viaja, esto significa que la onda gravitacional y las señales electromagnéticas viajan a la misma velocidad a mejor que una parte en una mil billonesima: 1 en 10^15.
En los momentos finales de la fusión, dos estrellas de neutrones no solo emiten ondas gravitatorias, sino una explosión catastrófica que hace eco en todo el espectro electromagnético. La diferencia de tiempo de llegada entre la luz y las ondas gravitacionales nos permite aprender mucho sobre el Universo. Crédito de la imagen: University of Warwick / Mark Garlick
¿Pero por qué los rayos gamma llegaron aquí después? ¿Por qué simplemente no llegaron al mismo tiempo que las ondas gravitacionales? Hay dos posibles escenarios posibles:
1. Los rayos gamma no se emitieron hasta 1.7 segundos después del primer contacto de las superficies de la estrella de neutrones,
2. O los rayos gamma se emitieron casi de inmediato y se retrasaron a medida que atravesaban la materia circundante.
Estas dos posibilidades contienen la advertencia de que la verdadera respuesta podría ser una combinación de ambos factores o una alternativa poco probable que involucre la física exótica (como una velocidad ligeramente diferente para las ondas gravitatorias y las ondas electromagnéticas).
Examinemos cómo podrían funcionar ambos escenarios
Durante una inspiración y fusión de dos estrellas de neutrones, se debe liberar una gran cantidad de energía, junto con elementos pesados, ondas gravitatorias y una señal electromagnética, como se ilustra aquí. Crédito de la imagen: NASA / JPL
Retraso en la emisión de rayos gamma: cuando dos estrellas de neutrones colisionan, sabemos que generan rayos gamma. Ha sido durante mucho tiempo la teoría principal, durante más de 20 años, de que el origen de los estallidos cortos de rayos gamma se debe a la colisión de las estrellas de neutrones, una imagen que ha sido espectacularmente confirmada por el evento GW170817. Pero se generan rayos gamma:
- en la superficie de las estrellas de neutrones,
- de la colisión del material eyectado con la materia circundante,
- o dentro de los núcleos de estrellas de neutrones?
Si se trata de una de las dos últimas opciones, estos rayos gamma deben retrasarse. A las estrellas de neutrones les toma tiempo fusionarse, expulsar material, hacer que ese material colisione con la materia circundante y luego que ese material altamente energético emita rayos gamma. Si el material está a una distancia significativa de la estrella de neutrones, como decenas o cientos de miles de kilómetros de distancia, eso explicaría simplemente la demora.
link:
Alternativamente, si los rayos gamma no se generan en la superficie, sino en el interior de las estrellas de neutrones en colisión, esperaríamos que hubiera una demora ya que la luz tardará en propagarse a la superficie de la estrella de neutrones, donde podría ser liberado. Las ondas gravitatorias no se retrasan al tener que viajar a través de la materia densa, pero la luz sí lo hace. Esto sería extremadamente análogo a lo que observamos durante la supernova que vimos en 1987, donde los neutrinos (que no se retrasan al pasar por la materia) llegaron cuatro horas antes que las primeras señales de luz, debido al hecho de que la luz se desaceleró por su necesidad de pasar a través de una gran cantidad de materia. Cualquiera de estas explicaciones podría causar un retraso en la emisión de rayos gamma.
Ilustración de una ráfaga rápida de rayos gamma, que durante mucho tiempo se pensó que ocurriría a partir de la fusión de estrellas de neutrones. El entorno rico en gases que los rodea podría retrasar la llegada de la señal. Crédito de la imagen: ESO
Emisión inmediata, pero retraso en la llegada de los rayos gamma: este es el otro escenario principal. Incluso si los rayos gamma se emiten de inmediato, todavía tienen que atravesar el entorno rico en materia que rodea a la estrella de neutrones. Tiene que ser rico en materia, porque con estrellas de neutrones que se mueven tan rápido (cerca de la velocidad de la luz) a través del espacio, y con los intensos campos magnéticos que producen, el material se eyectará y se despojará mientras se fusionan. Este baile ha estado ocurriendo durante mucho tiempo, por lo que definitivamente hay una gran cantidad de materia por la que la luz debe atravesar antes de que llegue a nuestros ojos.
¿Hay suficiente materia para causar esa demora de 1.7 segundos? Podría haber, y esa es la otra opción principal.
El pulsar Vela, como todos los púlsares, es un ejemplo de un cadáver de estrella de neutrones. El gas y la materia que lo rodea es bastante común, y alrededor de las estrellas de neutrones observadas en GW170817, podría ser responsable de la demora. Crédito de la imagen: NASA / CXC / PSU / G.Pavlov et al.
La forma en que llegaremos a la respuesta implica una combinación de examinar más eventos en una variedad de rangos de masa: debajo de una masa combinada de 2.5 masas solares (donde debería obtener una estrella de neutrones estable), entre 2.5 y 3 masas solares (como el evento que vimos, donde obtienes una estrella de neutrones temporal que se convierte en un agujero negro), y más de 3 masas solares (donde vas directamente a un agujero negro), y midiendo las señales de luz. También aprenderemos más atrapando la fase inspiral más rápido y siendo capaces de apuntar hacia la fuente anticipada antes de la fusión. Como LIGO / Virgo y otros detectores de ondas gravitacionales entran en funcionamiento y se vuelven más sensibles, mejoraremos cada vez más.
El remanente de la supernova 1987a, ubicado en la Gran Nube de Magallanes a unos 165,000 años luz de distancia. El hecho de que los neutrinos llegaran horas antes de la primera señal de luz nos enseñó más sobre la duración que tarda la luz en propagarse a través de las capas de una estrella de la supernova que sobre la velocidad a la que viajan los neutrinos, que era indistinguible de la velocidad de la luz. Crédito de la imagen: Noel Carboni y ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator
Las ideas exóticas, como una velocidad diferente para la gravedad y la luz, son completamente innecesarias para explicar esta observación. Múltiples líneas de pensamiento diferentes que involucran la física convencional podrían tener éxito al describir por qué ocurrió un pequeño retraso de 1.7 segundos. Mientras que las ondas gravitatorias simplemente atraviesan la materia sin perturbaciones, la luz interactúa electromagnéticamente con ellas, y eso podría marcar la diferencia en el mundo. Sin embargo, a diferencia de las supernovas, los objetos (estrellas de neutrones) que dan lugar a estallidos de rayos gamma son muy pequeños, por lo que, donde sea que se encuentre la solución, probablemente se trate de comprender un evento catastrófico en escalas de tiempo extremadamente cortas. Mientras los teóricos compiten por ponerse al día, los datos ya están aquí. El próximo evento podría marcar la diferencia en el mundo.
Envía tus preguntas para Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com!
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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