La historia que se desarrolla de una kilonova contada en rayos X


Los astrónomos pueden haber detectado un «boom sónico» de una poderosa explosión conocida como kilonova. Este evento se vio en GW170817, una fusión de dos estrellas de neutrones y el primer objeto detectado tanto en ondas gravitacionales como en radiación electromagnética, o luz.

Una kilonova ocurre cuando dos estrellas de neutrones, algunos de los objetos más densos del universo, se fusionan. El 17 de agosto de 2017, astrónomos, incluidos investigadores del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian: descubrieron ondas gravitacionales de tal fusión utilizando el Observatorio de ondas gravitacionales de interferómetro láser avanzado (LIGO) y Virgo, coincidiendo con un estallido de rayos gamma.

Crédito: NASA/CXC/Northwestern Univ./A. Hajela et al.

Desde entonces, los astrónomos han estado utilizando telescopios en todo el mundo y en el espacio, incluido el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, para estudiar GW170817 en todo el espectro electromagnético. Chandra es el único observatorio que aún puede detectar la luz de esta extraordinaria colisión cósmica más de cuatro años después del evento original.

«Hemos entrado en un territorio desconocido aquí al estudiar las consecuencias de una fusión de estrellas de neutrones», dice Aprajita Hajela de la Universidad Northwestern, quien dirigió un nuevo estudio de GW170817 con Chandra; los hallazgos fueron publicados esta semana en The Astrophysical Journal Letters.

Los astrónomos creen que después de la fusión de las estrellas de neutrones, los desechos generan luz visible e infrarroja a partir de la descomposición de elementos radiactivos como el platino y el oro formados en los desechos de la fusión. Este estallido de luz se llama kilonova. De hecho, se detectaron emisiones de luz visible e infrarroja de GW170817 varias horas después de las ondas gravitacionales.

La fusión de estrellas de neutrones se veía muy diferente en rayos X. Inmediatamente después de que se anunciara la detección inicial de LIGO, los científicos solicitaron que Chandra pasara rápidamente de su objetivo actual a GW170817. Al principio, no vieron rayos X de la fuente, pero el 26 de agosto de 2017, Chandra volvió a mirar y encontró una fuente puntual de rayos X.

Esta no detección de rayos X seguida rápidamente por una detección proporciona evidencia de un chorro estrecho de partículas de alta energía producido por la fusión de estrellas de neutrones. El chorro está «fuera del eje», es decir, no apunta directamente hacia la Tierra. Los investigadores creen que Chandra originalmente vio el chorro estrecho desde un lado y, por lo tanto, no vio rayos X inmediatamente después de que se detectaron las ondas gravitacionales.

Sin embargo, a medida que pasaba el tiempo, el material del chorro se ralentizaba y se ensanchaba al chocar contra el material circundante. Esto hizo que el cono del chorro comenzara a expandirse más en la línea de visión directa de Chandra y se detectó la emisión de rayos X.

Desde principios de 2018, la emisión de rayos X causada por el chorro se ha ido debilitando constantemente a medida que el chorro se ralentiza y se expande aún más. Hajela y su equipo luego notaron que desde marzo de 2020 hasta finales de 2020, la disminución se detuvo y la emisión de rayos X fue aproximadamente constante en brillo. Esta fue una señal significativa.

«El hecho de que los rayos X dejaran de desvanecerse rápidamente fue nuestra mejor evidencia hasta ahora de que se está detectando algo además de un chorro en los rayos X de esta fuente», dice la coautora Raffaella Margutti de la Universidad de California en Berkeley. «Parece que se necesita una fuente completamente diferente de rayos X para explicar lo que estamos viendo».

Una de las principales explicaciones de esta nueva fuente de rayos X es que los escombros en expansión de la fusión han generado un impacto, como el estampido sónico de un avión supersónico. La emisión producida por el material calentado por el choque se denomina resplandor residual de kilonova. Una explicación alternativa es que los rayos X provienen del material que cae hacia un agujero negro que se formó después de la fusión de las estrellas de neutrones.

«Esta sería la primera vez que vemos un resplandor posterior de kilonova o la primera vez que vemos material cayendo en un agujero negro después de una fusión de estrellas de neutrones», dice el coautor Joe Bright, también de la Universidad de California en Berkeley. «Cualquier resultado sería extremadamente emocionante».

Para distinguir entre las dos explicaciones, los astrónomos seguirán monitoreando GW170817 en rayos X y ondas de radio. Si se trata de un resplandor residual de kilonova, se espera que la emisión de radio se vuelva más brillante con el tiempo y se vuelva a detectar en los próximos meses o años. Si la explicación involucra materia que cae sobre un agujero negro recién formado, entonces la salida de rayos X debería permanecer constante o disminuir rápidamente, y no se detectará ninguna emisión de radio con el tiempo.

«Pudimos estudiar las propiedades de la kilonova utilizando extensas observaciones ópticas e infrarrojas en las primeras semanas después de la fusión, pero esa luz se desvaneció rápidamente», dice Edo Berger, coautor del estudio y astrónomo del Centro de Astrofísica. . «Ahora podemos tener una segunda oportunidad de explorar la kilonova usando rayos X y, en un futuro cercano, potencialmente ondas de radio. La combinación de todos estos datos desde horas después de la fusión hasta años después seguramente revelará nuevas sorpresas».

El equipo anunció recientemente que se detectó una fuente en las nuevas observaciones de Chandra de GW170817 realizadas en diciembre de 2021. El análisis de esos datos está en curso. Aún no se ha informado de detección de radio en asociación con los rayos X emergentes.

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