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FaInt Supernovae and Hypernovae: Mechanism and Nucleosynthesis

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Eliminando la delgada línea entre la formación de estrellas de neutrones centrales y agujeros negros

Todavía queda mucho por aprender sobre las últimas etapas de la evolución estelar, especialmente el punto en el que una estrella es lo suficientemente masiva como para generar un agujero negro en su colapso final. Con esta beca ERC dentro del proyecto FISH, el Prof. Friedrich Thielemann pretende llenar este vacío de conocimientos.

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Con masas superiores a 260-300 M☉, se sabe que, en sus momentos finales, las estrellas forman agujeros negros. Sin embargo, por debajo de este intervalo de masas, las cosas son menos previsibles. De 8 a 140 M☉, el colapso del núcleo da lugar a una estrella de neutrones central o, tal vez, un agujero negro. La cuestión es cuál es la región de transición donde la formación de un agujero negro pasa a ser más probable que la de una estrella de neutrones central. «Tratamos de comprender mejor las últimas etapas de la evolución estelar», explica Friedrich Thielemann, profesor emérito de física teórica de la Universidad de Basilea en Suiza. «Sabemos que las estrellas con poca masa terminan siendo enanas blancas. Sabemos, que por encima de las 8 M☉, se produce un colapso estelar después de producir un núcleo de hierro. Queda abierta la cuestión de la transición entre la formación de supernovas por el colapso del núcleo (para dejar una estrella de neutrones central) y la formación de agujeros negros. Gracias a las observaciones recientes de ondas gravitatorias en el LIGO (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitatorias), sabemos que existen agujeros negros de unas 30 M☉ e incluso menores en algunos casos». Para su investigación, el Prof. Thielemann acudió a campos como la física nuclear lejos de la estabilidad, la ecuación de estado de los objetos densos, la magnetohidrodinámica 3D con transporte de neutrinos y métodos computacionales. A lo largo del primer año del proyecto, desarrolló bases de datos de ecuaciones de estado nucleares y reacciones nucleares por toda la tabla nuclear. Su equipo creó un código de aproximación de la fuente de difusión isotrópica (IDSA) para el transporte multidimensional de neutrinos, proporcionó una comparación detallada del código de simulaciones magnetohidrodinámicas del colapso del núcleo y llevó a cabo predicciones de nucleosíntesis para fusiones de magnetoestrellas/estrellas colapsadas y estrellas de neutrones, con el fin de comprender la evolución temporal de los elementos más pesados durante la evolución de las galaxias. A continuación, llegó la parte más difícil, con simulaciones de la generación de elementos con masas intermedias y del grupo del hierro en estrellas en colapso/hipernovas/ráfagas de rayos gamma. «Pudimos simular el colapso estelar en una amplia gama de masas y vimos que existe una transición (suave) hacia la formación de agujeros negros ligeramente por debajo de las 25 M☉, pero que esto también depende en buena medida de la compacidad del progenitor estelar», explica el profesor Thielemann. «También son posibles la formación de agujeros negros por debajo de las 25 M☉ y las explosiones de supernovas por encima de las 25 M☉». Gracias a las simulaciones multidimensionales, el equipo también clarificó algunos aspectos de la formación de agujeros negros y logró predecir las emisiones de ondas gravitatorias. Pudieron determinar en qué tipos de explosiones se eyecta materia procesada, cuál es la composición de la materia resultante de la quema nuclear explosiva y cómo esto puede explicar la evolución de los elementos químicos durante esos procesos en las galaxias. «También hallamos un canal adicional importante, en el cual se forman agujeros negros durante la fusión de dos estrellas de neutrones resultantes de una supernova anterior que haya eyectado grandes cantidades de elementos muy pesados antes de formar un agujero negro», resalta el Prof. Thielemann. Gracias al trabajo realizado en el proyecto FISH (FaInt Supernovae and Hypernovae: Mechanism and Nucleosynthesis), ahora la comunidad científica puede comprender mejor la evolución de las abundancias de los distintos elementos en las galaxias y determinar qué eventos explosivos fueron responsables de qué elementos y cómo su generación evoluciona con el tiempo. Desde la finalización del proyecto en diciembre de 2016, el equipo ha trabajado intensamente en las fusiones de estrellas de neutrones aparentemente observadas por LIGO/VIRGO recientemente, también visibles como ráfagas de rayos gamma de corta duración en el espectro del infrarrojo próximo.

Palabras clave

FISH, agujero negro, estrella de neutrones, estrella masiva, evolución estelar, supernova, LIGO, onda gravitatoria, colapso estelar

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