Las ondas gravitacionales pueden conservar la memoria de la fusión de estrellas de neutrones que las creó

Las ondas gravitacionales son perturbaciones que se propagan a la velocidad de la luz a través del espacio-tiempo y se describen en la Relatividad General. Se generan cuando la materia se acelera a través del espacio-tiempo, pero generalmente se forman en sistemas astrofísicos masivos, como sistemas binarios de agujeros negros o estrellas de neutrones. Estas ondas transportan energía y momento angular del evento que las originó a través del espacio-tiempo.

Uno de los eventos que forma ondas gravitacionales es la fusión de estrellas de neutrones, que ocurre cuando dos estrellas de neutrones orbitan entre sí y pierden energía mediante la emisión de ondas gravitacionales. A medida que el sistema evoluciona, la separación orbital disminuye hasta que las estrellas colisionan, liberando una gran cantidad de energía mediante ondas gravitacionales y radiación electromagnética. Este evento se denomina kilonova y es un proceso que implica una gran cantidad de energía, además de intensos campos gravitacionales.

Las ondas gravitacionales emitidas durante este proceso contienen información detallada sobre las propiedades del sistema que las originó. La forma de la señal, es decir, su frecuencia, amplitud y evolución temporal, depende de las masas, los espines y la deformabilidad de las estrellas de neutrones. Estos parámetros de las estrellas de neutrones están relacionados con la ecuación de estado que describe su interior. Además, ciertos efectos, como la llamada "memoria gravitacional", pueden preservar las características del evento de fusión que las generó.

Ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales se introdujeron tras ser predichas por Albert Einstein en 1916, al encontrar soluciones ondulatorias a las ecuaciones de la Relatividad General. Incluso entonces, las ondas gravitacionales se describían como perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo que se propagaban a la velocidad de la luz. Se consideraban fluctuaciones transversales que alteraban las distancias entre puntos del espacio, produciendo deformaciones alternas en direcciones perpendiculares a la propagación.

Durante casi un siglo, la existencia de ondas gravitacionales fue solo una predicción teórica, con cierta evidencia observacional indirecta. La detección directa se produjo en 2015 por el observatorio LIGO, que midió las variaciones relativas de la longitud de onda en interferómetros láser. Este descubrimiento fue tan importante que le valió al físico Kip Thorne el Premio Nobel.

Fusión de estrellas de neutrones

Las ondas gravitacionales surgen cuando las masas se aceleran asimétricamente a través del espacio-tiempo. Esta aceleración provoca variaciones en la distribución de la masa y en cómo esta cambia con el tiempo. Las fuentes más eficientes de estas ondas son los sistemas binarios compactos, en los que dos objetos muy masivos orbitan entre sí a gran velocidad. Ejemplos clave son las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones.

En la fusión de estrellas de neutrones, dos objetos orbitan entre sí mientras pierden energía mediante la emisión continua de ondas gravitacionales, reduciendo gradualmente la separación orbital y aumentando la frecuencia de la señal emitida. A medida que el sistema evoluciona, la amplitud y la frecuencia de las ondas aumentan rápidamente, formando un pico que potencialmente puede conducir a la formación de un agujero negro. En este proceso, las ondas gravitacionales reflejan las propiedades internas de la materia densa presente en las estrellas de neutrones.

Memoria de ondas gravitacionales

Un fenómeno asociado con las ondas gravitacionales, también descrito en la Relatividad General, es la memoria de ondas gravitacionales.

Este efecto está asociado con el flujo total de energía y momento transportado por el paso de estas ondas.

En el caso de las fusiones de estrellas de neutrones, la memoria gravitacional incluye contribuciones que no se presentan en las fusiones de agujeros negros. Estos sistemas emiten radiación electromagnética, corrientes de neutrinos y expulsan materia bariónica durante y después de la coalescencia, algo que no ocurre en las fusiones de agujeros negros. Un nuevo estudio ha cuantificado, por primera vez, cómo los campos magnéticos, los neutrinos y el material expulsado contribuyen al efecto de memoria de ondas gravitacionales.

¿Cómo nos ayudan a comprender el fenómeno?

El estudio de este efecto proporciona una medida del flujo total de energía y momento liberado durante las fusiones de estrellas de neutrones. Al cuantificar los efectos de los campos magnéticos, la emisión de neutrinos y la eyección de materia bariónica, las simulaciones numéricas han demostrado que estos representan hasta el 50 % de la memoria total. La magnitud de la memoria depende de la masa del sistema binario, la ecuación de estado de la materia nuclear y la intensidad del campo magnético.

Los resultados también indican que la contribución electromagnética puede ser insignificante, excepto bajo campos magnéticos intensos. La evolución de los campos magnéticos tras la fusión puede incluso reducir la memoria gravitacional total en comparación con sistemas no magnetizados. Por lo tanto, el estudio del efecto memoria amplía la capacidad de extraer información sobre los procesos físicos en estas colisiones extremas.

Referencia de la noticia

Bamber et al. 2026 Gravitational Wave Memory from Binary Neutron Star Mergers Physical Review Letters