Durante casi dos décadas, los astrofísicos han creído que los estallidos largos de rayos gamma (GRB) se deben únicamente al colapso de estrellas masivas. Ahora, un nuevo estudio pone patas arriba esa creencia establecida y aceptada desde hace mucho tiempo.
Dirigido por la Universidad de Northwestern, un equipo de astrofísicos ha descubierto nueva evidencia de que al menos algunos GRB largos pueden resultar de fusiones de estrellas de neutrones, que anteriormente se creía que producían solo GRB cortos.
Después de detectar un GRB de 50 segundos de duración en diciembre de 2021, el equipo comenzó a buscar el resplandor posterior del GRB largo, un estallido de luz increíblemente luminoso y que se desvanece rápidamente que a menudo precede a una supernova. Pero, en cambio, descubrieron evidencia de una kilonova, un evento raro que solo ocurre después de la fusión de una estrella de neutrones con otro objeto compacto (ya sea otra estrella de neutrones o un agujero negro).
Además de desafiar las creencias establecidas desde hace mucho tiempo sobre cuánto tiempo se forman los GRB, el nuevo descubrimiento también conduce a nuevos conocimientos sobre la misteriosa formación de los elementos más pesados del universo.
La investigación se publicará el 7 de diciembre en la revista Nature.
“Este evento se parece a cualquier otro que hayamos visto antes de un estallido largo de rayos gamma”, dijo Jillian Ratinejad de Northwestern, quien dirigió el estudio. “Sus rayos gamma se asemejan a los de los estallidos producidos por el colapso de estrellas masivas. Dado que todas las demás fusiones de estrellas de neutrones confirmadas que hemos observado han ido acompañadas de estallidos que duran menos de dos segundos, teníamos todas las razones para esperar que este GRB de 50 segundos fuera creado por el colapso de una estrella masiva. Este evento representa un emocionante cambio de paradigma para la astronomía de explosión de rayos gamma”.
“Cuando seguimos este largo estallido de rayos gamma, esperábamos que condujera a evidencia de un colapso estelar masivo”, dijo Wen-fai Fong de Northwestern, autor principal del estudio. “En cambio, lo que encontramos fue muy diferente. Cuando ingresé al campo hace 15 años, estaba grabado en piedra que los estallidos largos de rayos gamma provienen del colapso de estrellas masivas. Este hallazgo inesperado no solo representa un cambio importante en nuestra comprensión, sino también abre emocionantemente una nueva ventana para el descubrimiento”.
Fong es profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro clave del Centro para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Rastinejad, un Ph.D. estudiante del CIERA y miembro del grupo de investigación de Fong, es el primer autor del artículo.
División larga
Las explosiones más brillantes y enérgicas desde el Big Bang, los GRB se dividen en dos clases. Los GRB con una duración inferior a dos segundos se consideran GRB cortos. Si un GRB dura más de dos segundos, se considera un GRB largo. Los investigadores creían anteriormente que los GRB a ambos lados de la línea divisoria debían tener orígenes diferentes.
En diciembre de 2021, el Telescopio de alerta de ráfagas del Observatorio Neil Gehrels Swift y el Telescopio espacial de rayos gamma Fermi detectaron un estallido brillante de luz de rayos gamma, llamado
GRB211211A. Con poco más de 50 segundos de duración, GRB211211A inicialmente no parecía ser nada especial. Pero ubicado a unos 1.100 millones de años luz de distancia, que, créalo o no, está relativamente cerca de la Tierra, los astrofísicos decidieron estudiar este evento “cercano” en detalle, utilizando una multitud de telescopios que podrían observar a través del espectro electromagnético.
Para obtener imágenes del evento con longitudes de onda del infrarrojo cercano, el equipo rápidamente inició la obtención de imágenes con el Observatorio Gemini en Hawaii. Después de dos días de observación con Géminis, a Ratinejad le preocupaba no poder obtener una visión clara.
“El clima estaba empeorando en Hawái y estábamos muy decepcionados porque comenzamos a descubrir indicios de que esta explosión no se parecía a nada que hayamos visto antes”, dijo. “Afortunadamente, Northwestern nos brinda acceso remoto al Observatorio MMT en Arizona, y al día siguiente se colocó un instrumento ideal en ese telescopio. Estaba nublado allí, pero los operadores del telescopio sabían lo importante que era este estallido y encontraron una brecha entre las nubes para tomar nuestras imágenes. Fue estresante pero muy emocionante obtener esas imágenes en tiempo real”.
‘Señal reveladora de una kilonova’
Después de examinar las imágenes del infrarrojo cercano, el equipo detectó un objeto increíblemente débil que se desvaneció rápidamente. Las supernovas no se desvanecen tan rápido y son mucho más brillantes, por lo que el equipo se dio cuenta de que encontró algo inesperado que antes se creía imposible.
“Hay muchos objetos en nuestro cielo nocturno que se desvanecen rápidamente”, dijo Fong. “Imagen de una fuente en diferentes filtros para obtener información de color, lo que nos ayuda a determinar la identidad de la fuente. En este caso, prevaleció el color rojo y los colores más azules se desvanecieron más rápidamente. Esta evolución de color es una firma reveladora de una kilonova, y las kilonovas pueden solo provienen de fusiones de estrellas de neutrones”.
Debido a que las estrellas de neutrones son objetos limpios y compactos, los investigadores creían anteriormente que las estrellas de neutrones no contenían suficiente material para alimentar un GRB de larga duración. Las estrellas masivas, por otro lado, pueden tener de decenas a cientos de veces la masa de nuestro sol. A medida que la estrella moribunda colapsa, su material cae hacia adentro para alimentar un agujero negro recién formado. Pero, gracias a los campos magnéticos del agujero negro, parte del material que cae hacia adentro se lanza hacia afuera a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, lo que alimenta un GRB.
“Cuando pones dos estrellas de neutrones juntas, realmente no hay mucha masa allí”, explicó Fong. “Un poco de masa se acumula y luego impulsa un estallido de muy corta duración. En el caso de colapsos de estrellas masivas, que tradicionalmente provocan estallidos de rayos gamma más largos, hay un tiempo de alimentación más largo”.
Cambiar la búsqueda
El evento no fue la única parte extraña del estudio. La galaxia anfitriona del GRB también es bastante curiosa. Nombrada SDSS J140910.47+275320.8, la galaxia anfitriona es joven y está formando estrellas, casi exactamente lo opuesto al único otro anfitrión conocido en el universo local de un evento de fusión de estrellas de neutrones: la galaxia anfitriona de GW170817, NGC4993. Para analizar la galaxia anfitriona, el equipo utilizó datos del W.M. Observatorio Keck.
“Después de la detección de GW170817 y su asociación con una galaxia huésped masiva, roja y muerta, muchos astrónomos asumieron que las fusiones de estrellas de neutrones en el universo cercano se verían similares a NGC4993”, dijo Anya Nugent, estudiante graduada de Northwestern y coautor del estudio. “Pero esta galaxia es bastante joven, está formando estrellas activamente y en realidad no es tan masiva. De hecho, se parece más a los hosts GRB cortos que se ven en las profundidades del universo. Creo que cambia nuestra visión de los tipos de galaxias que debemos observar cuando Estamos buscando kilonovas cercanas”.
También cambia la forma en que los astrofísicos pueden abordar la búsqueda de elementos pesados, como el platino y el oro. Aunque los investigadores han podido estudiar las fábricas astronómicas que producen elementos más livianos, como helio, silicio y carbono, los astrofísicos postulan que las explosiones de supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones producen los elementos más pesados. Sin embargo, rara vez se observan firmas claras de su creación.
“Las kilonovas funcionan con la descomposición radiactiva de algunos de los elementos más pesados del universo”, dijo Rastinejad. “Pero las kilonovas son muy difíciles de observar y se desvanecen muy rápidamente. Ahora, sabemos que también podemos usar algunos estallidos largos de rayos gamma para buscar más kilonovas”.
Ahora que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) está funcionando, los astrofísicos podrán buscar más pistas dentro de las kilonovas. Debido a que el JWST es capaz de capturar imágenes y espectros de objetos astronómicos, puede detectar elementos específicos emitidos por el objeto. Usando el Webb, los astrofísicos finalmente podrían obtener evidencia de observación directa de la formación de elementos pesados.
“Desafortunadamente, incluso los mejores telescopios terrestres no son lo suficientemente sensibles para realizar espectroscopia”, dijo Ratinejad. “Con el JWST, podríamos haber obtenido un espectro de la kilonova. Esas líneas espectrales proporcionan evidencia directa de que ha detectado los elementos más pesados”.
El documento de estudio se titula “Una kilonova después de un estallido de rayos gamma de larga duración a 350 Mpc”.
Con información de Nature
