Las fusiones binarias de estrellas de neutrones son laboratorios astrofísicos únicos para estudiar la gravedad debido a las señales electromagnéticas adicionales que producen. El Dr. Carlos Palenzuela, de la Universidad de las Islas Baleares y miembro del IAC3, está investigando la enorme amplificación del campo magnético en estas fusiones para entender por qué se produce y qué relevancia tiene este campo magnético amplificado en la dinámica del sistema
Cuando Einstein publicó por primera vez su teoría de la relatividad general en 1915 e impulsó nuestra comprensión de la gravedad más allá de la física newtoniana, cualquier cálculo de las complejas distorsiones geométricas del espacio-tiempo de la teoría tuvo que hacerse en gran medida a mano. Aún faltaba medio siglo para que se construyeran los primeros superordenadores, lo que marcó el inicio de un cambio de paradigma en la forma de hacer ciencia.
Si avanzamos hasta hoy, la relatividad numérica es uno de los principales campos de la supercomputación, que lleva a las máquinas y al software a sus límites en el estudio de fenómenos astrofísicos extremos. La teoría de Einstein ha seguido siendo el método clave para describir tales acontecimientos, y la potencia de los superordenadores la ha impulsado como herramienta en la era moderna de la física. La reciente detección de ondas gravitacionales – ondas de espacio-tiempo deformadas predichas por Einstein que son emitidas por eventos cataclísmicos – ha abierto una gran cantidad de nuevas vías de investigación. En agosto de 2017, las observaciones simultáneas de ondas gravitacionales y electromagnéticas procedentes de la fusión de dos estrellas de neutrones -las entidades más densas conocidas en el universo, aparte de los agujeros negros- constituyeron el primer caso de observación de un evento astronómico con múltiples mensajeros.
Cuando dos estrellas de neutrones orbitan estrechamente entre sí, la gravedad hace que entren en espiral una hacia la otra. Cuando las dos estrellas se encuentran, su fusión conduce a la formación de una estrella de neutrones más masiva o de un agujero negro. Además de las ondas gravitacionales, esta fusión también puede amplificar el campo magnético interno de las estrellas, hasta una intensidad que es billones de veces más fuerte que la de la Tierra en cuestión de uno o dos milisegundos. Se cree que estos eventos crean breves estallidos de rayos gamma y kilonovas, los cuales emiten radiación electromagnética que puede ser detectada desde la Tierra.
Mientras que las ondas gravitacionales pueden proporcionar información sobre las masas y velocidades en juego en un evento de este tipo, las señales electromagnéticas adicionales producidas hacen de las fusiones binarias de estrellas de neutrones laboratorios astrofísicos únicos para estudiar la gravedad, la física del plasma y la materia densa en condiciones extremas. El Dr. Carlos Palenzuela, de la Universidad de las Islas Baleares, ha dirigido un proyecto PRACE que investiga la enorme amplificación del campo magnético que se produce en estas fusiones.
Existen algunas ideas de por qué se produce esta amplificación. Las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz -los mismos fenómenos que provocan la aparición de ondas cuando el viento sopla sobre la superficie del agua- se manifiestan cuando las dos estrellas de neutrones se agitan, induciendo turbulencias que pueden desencadenar la amplificación del campo magnético. Sin embargo, las escalas a las que se producen estas inestabilidades iniciales son tan pequeñas que resultan casi imposibles de modelizar con precisión incluso con los mayores recursos informáticos.
“Lo que propusimos en este proyecto fue utilizar esquemas numéricos de alta resolución y alto orden junto con una técnica llamada simulaciones de grandes remolinos, que está especialmente diseñada para examinar regímenes turbulentos”, dice Palenzuela. “Esperábamos que la combinación de estas herramientas nos permitiera capturar la etapa turbulenta con la suficiente precisión como para responder a preguntas sobre por qué se amplifica el campo magnético, qué forma adopta el campo magnético en términos de forma y tamaño, y qué relevancia tiene este campo magnético amplificado en la dinámica del sistema.”
Fusión de estrellas de neutrones. Instantáneas en momentos representativos que muestran la intensidad del campo magnético en Gauss, junto con isosuperficies de densidad que representan el núcleo y la envoltura de la estrella. La amplificación está impulsada principalmente por la inestabilidad Kelvin-Helmholtz, que induce una etapa turbulenta que se capta con precisión mediante el uso de simulaciones Large-Eddy de alta resolución.
Las simulaciones, que muestran unas pocas decenas de milisegundos de la fusión de una estrella de neutrones binaria, examinan una serie de variables diferentes dentro del sistema. “En el nivel más básico, estamos calculando las energías implicadas en el sistema: la energía cinética rotacional de las estrellas y la energía magnética que se produce, así como las componentes poloidal y toroidal del campo magnético. También observamos toda la envoltura estelar -la zona más grande de gas que contiene todo el sistema- para ver cómo crece con el tiempo”
Además, el equipo de Palenzuela también examina la densidad espectral del sistema, desglosando la distribución de energía en las distintas frecuencias discretas que se producen. “En principio, por lo que sabemos de la física, esperamos que los espectros tengan un aspecto determinado”, explica. “Explorar este aspecto es la parte más costosa de nuestro análisis, ya que implica realizar transformaciones de Fourier en 3D con miles de puntos en cada dirección. Esta parte de nuestros cálculos tiene que ser paralelizada de forma eficiente, ya que hoy en día no hay máquinas que tengan suficiente memoria para hacerlo directamente.”
A lo largo de las últimas décadas, se han desarrollado varios códigos -con mayor o menor éxito- para realizar este tipo de simulaciones, en su mayoría diseñados por físicos y no por ingenieros informáticos. “Decidimos adoptar un enfoque diferente, utilizando una infraestructura pública llamada SAMRAI, desarrollada por expertos de los Laboratorios Livermore (EE.UU.), que se ocupa de cuestiones como la paralelización y el escalado de las que, como físicos, sabemos poco”.
Fusión de estrellas de neutrones. Isosuperficies de densidad justo después de la fusión de dos estrellas de neutrones. La colisión produce un remanente masivo en rotación que finalmente se asentará en una estrella de neutrones giratoria. Las isosuperficies representan aproximadamente el núcleo y la envoltura del remanente.
“Luego, sobre esa infraestructura, ejecutamos nuestro propio software llamado SIMFLOWNY que utiliza esquemas numéricos de alto orden para resolver las ecuaciones de Einstein para describir objetos compactos como las estrellas de neutrones, así como métodos de captura de choques de alta resolución para resolver las ecuaciones magnetohidrodinámicas, porque la materia de la estrella de neutrones se describe como un fluido perfecto magnetizado. Al unir SAMRAI con este software propio, hemos creado un nuevo código llamado MHDUET”.
Los resultados preliminares del proyecto han sorprendido a algunos colegas de la comunidad, y los efectos del campo magnético inicial en la etapa final tras la fusión siguen siendo un tema controvertido. Por ello, Palenzuela pretende ahora realizar varias simulaciones similares con diferentes configuraciones iniciales para intentar resolver el debate. “Mi impresión es que, debido a la existencia de esta etapa turbulenta intermedia, se perderá toda la memoria del estado inicial del sistema, haciendo que el resultado final sea independiente del campo magnético inicial”, afirma. “Por supuesto, el trabajo futuro también dependerá de lo que ocurra en nuestras simulaciones finales de alta resolución. Una opción sería continuar las simulaciones más allá de las primeras decenas de milisegundos para llegar a la etapa en la que el sistema colapsa en un agujero negro. Cuando esto ocurre, se forma un disco de acreción de material alrededor del agujero negro que es en gran parte responsable de la aparición de los flujos de chorro y de los breves estallidos de rayos gamma que potencian las emisiones electromagnéticas detectables desde la Tierra.”
