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Ilustración de dos estrellas de neutrones fusionadas. Las ondas gravitacionales salen de la colisión y segundos después se dispara una explosión de rayos gamma. Las estrellas que se fusionan expulsan remolinos de nubes de material. Imagen: Fundación Nacional de Ciencias / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet.
Los científicos detectaron en 2017 por primera vez la colisión entre dos estrellas de neutrones y comprobaron que era la fuente de las ondas gravitacionales detectadas por las colaboraciones Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) y Virgo el 17 de agosto del mismo año.
La colisión había tenido lugar 130 millones de años atrás a un billón de kilómetros de la Tierra y los científicos pudieron comprobar que de este tipo de fusión de estrellas surgió el oro y el platino que existen en el universo.
La colisión de estrellas de neutrones es un fenómeno difícil de estudiar. Se trata de estrellas cuya densidad impide conocer lo que pasa en su interior, especialmente la temperatura que causa la colisión.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha reproducido en laboratorio las condiciones que provocan la colisión de estrellas de neutrones y obtenido las primeras mediciones de la radiación electromagnética que surge de esos procesos.
Los datos resultantes les permitieron calcular la temperatura predominante cuando tales estrellas colisionan y se fusionan, un dato fundamental para conocer estos misteriosos procesos cósmicos: 800 mil millones de grados.
A partir de esta medida, los investigadores deducen que el fenómeno es literalmente la "cocina cósmica de los núcleos atómicos pesados", que son los núcleos atómicos que contienen muchos protones y neutrones.
Cuando dos estrellas de neutrones colisionan, la materia de su núcleo entra en estados extremos y adquiere unas propiedades específicas de la materia comprimida en tales colisiones que han despertado el interés de los científicos.
El experimento a largo plazo de HADES, que involucra a más de 110 científicos, ha estado investigando diferentes formas de materia cósmica desde 1994, entre ellas la surgida de las colisiones de estrellas.
Simulación de radiación electromagnética
Las colisiones entre estrellas no se pueden observar directamente, sobre todo debido a su extrema rareza. Según las estimaciones, nunca ha sucedido nada de esto en nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Sin embargo, las densidades y temperaturas en los procesos de fusión de las estrellas de neutrones son similares a las que ocurren en colisiones de iones pesados.
Esto permitió al equipo de HADES simular las condiciones en la fusión de estrellas a nivel microscópico en el acelerador de iones pesados del Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) en Darmstadt.
Como en una colisión de estrellas de neutrones, cuando dos iones pesados se juntan a una velocidad cercana a la de la luz, se produce radiación electromagnética. Toman la forma de fotones virtuales que se convierten de nuevo en partículas reales después de muy poco tiempo.
Sin embargo, los fotones virtuales ocurren muy raramente en experimentos con iones pesados. "Tuvimos que registrar y analizar alrededor de 3 mil millones de colisiones para finalmente reconstruir 20.000 fotones virtuales medibles", explica Jürgen Friese, ex portavoz de la colaboración de HADES, en un comunicado.
La colisión había tenido lugar 130 millones de años atrás a un billón de kilómetros de la Tierra y los científicos pudieron comprobar que de este tipo de fusión de estrellas surgió el oro y el platino que existen en el universo.
La colisión de estrellas de neutrones es un fenómeno difícil de estudiar. Se trata de estrellas cuya densidad impide conocer lo que pasa en su interior, especialmente la temperatura que causa la colisión.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha reproducido en laboratorio las condiciones que provocan la colisión de estrellas de neutrones y obtenido las primeras mediciones de la radiación electromagnética que surge de esos procesos.
Los datos resultantes les permitieron calcular la temperatura predominante cuando tales estrellas colisionan y se fusionan, un dato fundamental para conocer estos misteriosos procesos cósmicos: 800 mil millones de grados.
A partir de esta medida, los investigadores deducen que el fenómeno es literalmente la "cocina cósmica de los núcleos atómicos pesados", que son los núcleos atómicos que contienen muchos protones y neutrones.
Cuando dos estrellas de neutrones colisionan, la materia de su núcleo entra en estados extremos y adquiere unas propiedades específicas de la materia comprimida en tales colisiones que han despertado el interés de los científicos.
El experimento a largo plazo de HADES, que involucra a más de 110 científicos, ha estado investigando diferentes formas de materia cósmica desde 1994, entre ellas la surgida de las colisiones de estrellas.
Simulación de radiación electromagnética
Las colisiones entre estrellas no se pueden observar directamente, sobre todo debido a su extrema rareza. Según las estimaciones, nunca ha sucedido nada de esto en nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Sin embargo, las densidades y temperaturas en los procesos de fusión de las estrellas de neutrones son similares a las que ocurren en colisiones de iones pesados.
Esto permitió al equipo de HADES simular las condiciones en la fusión de estrellas a nivel microscópico en el acelerador de iones pesados del Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) en Darmstadt.
Como en una colisión de estrellas de neutrones, cuando dos iones pesados se juntan a una velocidad cercana a la de la luz, se produce radiación electromagnética. Toman la forma de fotones virtuales que se convierten de nuevo en partículas reales después de muy poco tiempo.
Sin embargo, los fotones virtuales ocurren muy raramente en experimentos con iones pesados. "Tuvimos que registrar y analizar alrededor de 3 mil millones de colisiones para finalmente reconstruir 20.000 fotones virtuales medibles", explica Jürgen Friese, ex portavoz de la colaboración de HADES, en un comunicado.
Cámara fotónica
Para detectar los fotones virtuales raros y transitorios, los investigadores desarrollaron una cámara digital especial de 1,5 metros cuadrados, capaz de capturar el destello de luz generado por los fotones virtuales (radiación de Cherenkov).
"Desafortunadamente, la luz emitida por los fotones virtuales es extremadamente débil. Así que el truco en nuestro experimento fue encontrar los patrones de luz", dice Friese.
"Nunca se pudieron ver a simple vista. Por lo tanto, desarrollamos una técnica de reconocimiento de patrones en la que una foto de 30.000 píxeles se rastrilla en unos pocos microsegundos usando máscaras electrónicas. Ese método se complementa con redes neuronales e inteligencia artificial".
Hito en la comprensión de la materia
La reconstrucción de la radiación térmica de la materia comprimida es un hito en la comprensión de las formas cósmicas de la materia.
Permitió a los científicos determinar la temperatura del sistema resultante de la fusión de las estrellas.
El experimento también descubrió que la etapa final de la fusión entre dos estrellas de neutrones transforma la materia en un estado de densidad cercano al plasma quark-gluón que se pudo encontrar justo después del Big Bang.
Esta es otra prueba más de que el estudio de las estrellas de neutrones es, a pesar de su complejidad, permite comprender mejor algunos de los aspectos más misteriosos del Universo.
Para detectar los fotones virtuales raros y transitorios, los investigadores desarrollaron una cámara digital especial de 1,5 metros cuadrados, capaz de capturar el destello de luz generado por los fotones virtuales (radiación de Cherenkov).
"Desafortunadamente, la luz emitida por los fotones virtuales es extremadamente débil. Así que el truco en nuestro experimento fue encontrar los patrones de luz", dice Friese.
"Nunca se pudieron ver a simple vista. Por lo tanto, desarrollamos una técnica de reconocimiento de patrones en la que una foto de 30.000 píxeles se rastrilla en unos pocos microsegundos usando máscaras electrónicas. Ese método se complementa con redes neuronales e inteligencia artificial".
Hito en la comprensión de la materia
La reconstrucción de la radiación térmica de la materia comprimida es un hito en la comprensión de las formas cósmicas de la materia.
Permitió a los científicos determinar la temperatura del sistema resultante de la fusión de las estrellas.
El experimento también descubrió que la etapa final de la fusión entre dos estrellas de neutrones transforma la materia en un estado de densidad cercano al plasma quark-gluón que se pudo encontrar justo después del Big Bang.
Esta es otra prueba más de que el estudio de las estrellas de neutrones es, a pesar de su complejidad, permite comprender mejor algunos de los aspectos más misteriosos del Universo.
Referencia
Probing dense baryon-rich matter with virtual photons. The HADES Collaboration. Nature Physics (2019). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0583-8
Probing dense baryon-rich matter with virtual photons. The HADES Collaboration. Nature Physics (2019). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0583-8
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El campo magnético de la Tierra está disparado
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