¿Cómo se producen las explosiones cósmicas más gigantescas?

La colisión de estrellas de neutrones da lugar a potentísimos destellos de luz gamma. Durante una fracción de segundo, una erupción de rayos gamma es tan luminosa como todas las estrellas visibles desde la Tierra, y produce ondas gravitatorias en el espacio que ya fueron predichas por Albert Einstein, en su Teoría de la Relatividad, pero que hasta hoy no han podido ser detectadas.

La amplitud, duración y forma específica de dichas ondas es un enigma, pues, para la ciencia. Su comprensión nos acercaría, posiblemente, a las claves de una inagotable fuente de energía procedente de la acreción de agujeros negros. El trabajo que aparece publicado hoy en ‘Astrophysical Journal Letters’ aporta resultados muy valiosos y nuevas herramientas para proseguir y llevar a buen término las investigaciones en este campo de la astrofísica.

Estas explosiones han desconcertado a los científicos durante años: se trata de destellos de luz gamma en los que llega a liberarse más energía en una fracción de segundo que la que producen todas las estrellas visibles en ese mismo período de tiempo. ¿Qué es lo que causa estas explosiones? Un equipo internacional de científicos en el que trabaja el profesor de la Universitat de València Miguel A. Aloy está un paso más cerca de resolver el enigma.

En los cómputos realizados durante seis semanas en los superordenadores del Instituto Max-Planck de Física Gravitacional, los investigadores simularon cómo la fusión de dos estrellas de neutrones con campos magnéticos pequeños forma un agujero negro rodeado por un toro de acreción caliente. En este proceso, un campo magnético extraordinariamente intenso con estructura de chorro se forma a lo largo del eje de rotación.

Caos tras la colisión

Este campo magnético es crucial para entender el proceso de la generación de erupciones de rayos gamma de corta duración: del caos que resulta tras la colisión, se forma una estructura ordenada, un chorro de plasma de enorme energía en el que los rayos gamma de corta duración pueden producirse. (Astrophysical Journal Letters, 2011).

La primera erupción de rayos gamma fue observada por casualidad: a finales de los años 60, un satélite espía americano que estaba buscando pruebas de ensayos de bombas atómicas sobre la tierra, detectó la primera erupción de rayos gamma (ERG). No procedía de la Tierra, sino del espacio exterior. Entre 1991 y la fecha de finalización de su misión en Junio 2000, el satélite americano Compton registró alrededor de una ERG al día- aunque la causa de estas gigantescas explosiones cosmológicas seguía siendo un misterio.

Antes de este trabajo ya se pensaba que la fusión de estrellas de neutrones era un hecho propicio para generar ERG de corta duración. Sin embargo, los científicos no eran capaces de explicar del caos resultante de la fusión de estas estrellas ultra compactas, con radios de unos 20 kilómetros y sumamente densas, se podía producir de una corriente de plasma -un chorro- orientado a lo largo del eje de rotación. Estos chorros son un ingrediente esencial en la formación de las erupciones de rayos gamma

El enigma a resolver era, por tanto, cómo podía la fuerza impulsora de este proceso crear una estructura ordenada, a través de la cual canalizar la enorme energía liberada por el proceso de acreción de materia sobre agujeros negros en rotación. Para situar al lector, baste decir que la acreción es el mecanismo de conversión de energía más eficiente que se conoce. Puede llegar a convertir casi el 30% de la masa en energía. Por comparación, menos de un 6% de la mas se convierte en energía durante la fusión de núcleos de hidrógeno en el corazón de las estrellas.

Una posible explicación

Miguel A. Aloy, investigador principal del European Research Councill Starting Independent Grant CAMAP en la Universitat de València, ha estado trabajando con el grupo internacional de científicos que ha encontrado una posible explicación para las erupciones de rayos gamma de corta duración (pueden durar hasta 3 segundos).

El equipo resolvió las ecuaciones Einstein y las ecuaciones de la magnetohidrodinámica para dos estrellas de neutrones que llegan a fusionarse dando lugar a un agujero negro, y dejaron que la simulación siguiera por un periodo de tiempo mucho más largo tras la formación del mismo.

Lo que descubrieron fue que, inicialmente, se forma un anillo de materia caliente con un campo magnético relativamente débil rodeando al agujero negro resultante, el cuál rota sobre su eje a velocidades muy cercanas a las de la luz. El movimiento de rotación de este sistema inestable genera un campo magnético ordenado, que es sumamente poderoso, siendo su intensidad de unos 1015 Gauss a lo largo del eje de rotación.

Para hacernos una idea de la increíble magnitud de este campo magnético baste notar que es 1016 (10,000,000,000,000,000) veces más intenso que el campo magnético de la Tierra. Aquí radica la importancia de este nuevo resultado: se ha demostrado, por primera vez, que se puede formar una estructura alrededor del eje de rotación del sistema, a través de la cual, plasma extraordinariamente caliente procedente de las inmediaciones del agujero negro es lanzado al espacio.

Es más, la antedicha estructura es clave para que el plasma eyectado sea colimado y forme sendos chorros en los que se produce la radiación gamma que da lugar a una ERG de corta duración.

“Esta es la primera vez que hemos estudiado el proceso entero desde la fusión de las estrellas de neutrones hasta la formación de los chorros”, afirmó Luciano Rezzolla, uno de los miembros de la colaboración internacional del Instituto Max-Planck de Física Gravitacional (Golm, Alemania).

“Esto supone un gran paso adelante porque antes no sabíamos cómo era posible crea el orden necesario para que las ERG se creasen a partir del caos reinante tras el nacimiento del agujero negro”, señala Miguel A. Aloy. Mediante un esfuerzo computacional considerable, los científicos pusieron en marcha una simulación durante el doble del tiempo normal, completando sus cálculos en unas seis semanas. La simulación completa muestra lo que pasa en sólo 35 milisegundos.

“Ahora hemos levantado un velo importante, que estaba escondiendo el motor central de las ERG y hemos ofrecido una conexión entre el modelo teórico y las observaciones, al mostrar que una estructura de tipo chorro se produce realmente mediante la organización propia del campo magnético en una fusión de estrellas de neutrones”, añade Chryssa Kouveliotou de la Agencia Americana del Espacio, NASA.

Reconstruir los acontecimientos

Así mismo, “se ha reconstruido la secuencia correcta de los acontecimientos: primero nace el agujero negro y poco después escuchamos sus llantos natales en forma de radiación gravitatoria y una formidable erupción de rayos gamma”, apunta Miguel A. Aloy. La forma y amplitud de la señal gravitatoria también ha sido calculada por los científicos que firman este trabajo.

Estas pequeñas ondas en espacio-tiempo fueron ya predichas por Albert Einstein en su Teoría General de la Relatividad, pero no han sido detectadas de forma directa hasta la fecha. La razón es que el efecto que el paso de estas ondas gravitatorias produce sobre la materia es realmente minúsculo y, en la práctica, se confunden con otras señales también detectadas.

Se espera que las propiedades de la señal gravitatoria simuladas ayuden a otros grupos de científicos a descubrir ondas gravitatorias reales entre los datos obtenidos por los detectores actuales o de futura construcción.

Actualmente hay cinco detectores interferométricos de ondas gravitacionales en el mundo: el proyecto alemán/británico GEO800, cerca de Hanover, Alemania, los tres detectores LIGO en los EEUU- Louisiana y Washington y el proyecto franco/italiano Virgo, en Pisa, Italia. Un nuevo detector espacial (LISA- Laser Interferometer Space Antenna) se encuentra entre los planes de la Agencia Europea del Espacio y la NASA, y su lanzamiento está programado para 2020.