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Se descubren sorprendentes pruebas de colisión de estrellas de neutrones

El Observatorio Internacional Gemini descubre sorprendentes pruebas de colisión de estrellas de neutrones después de investigar las secuelas del estallido de rayos gamma

Mientras investigaban las secuelas de un largo estallido de rayos gamma (GRB), dos equipos independientes de astrónomos que utilizan una gran cantidad de telescopios en el espacio y en la Tierra han descubierto las características inesperadas de una kilonova. Esta es la explosión colosal provocada por la colisión de estrellas de neutrones. Este descubrimiento desafía la teoría prevaleciente de que los GRB largos provienen exclusivamente de supernovas, las explosiones al final de la vida útil de estrellas masivas.

Los estallidos de rayos gamma (GRB) son las explosiones más energéticas del Universo. Vienen en dos variedades, largas y cortas. Los GRB largos, que duran de un par de segundos a un minuto, se forman cuando una estrella de al menos 10 veces la masa de nuestro Sol explota como una supernova. Los GRB cortos, que duran menos de dos segundos, ocurren cuando dos objetos compactos, como dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro, chocan para formar una kilonova.

Mientras observaban las secuelas de un largo GRB detectado en 2021, dos equipos independientes de astrónomos encontraron los sorprendentes signos de una fusión de estrellas de neutrones en lugar de la señal esperada de una supernova. Este sorprendente resultado marca la primera vez que una kilonova se asocia con un GRB largo y desafía nuestra comprensión de estas explosiones fenomenalmente poderosas.


Esta imagen de Gemini Norte, superpuesta a una imagen tomada con el Telescopio Espacial Hubble, muestra el revelador resplandor del infrarrojo cercano de una kilonova producida por un GRB largo (GRB 211211A). Este descubrimiento desafía la teoría prevaleciente de que los GRB largos provienen exclusivamente de supernovas, las explosiones al final de la vida útil de estrellas masivas. Crédito: Observatorio Internacional de Géminis / NOIRLab / NSF / AURA / M. Zamani; NASA/ESA

El primer equipo en anunciar este descubrimiento fue dirigido por Jillian Rastinejad, estudiante de doctorado en laUniversidad Northwestern. Rastinejad y sus colegas hicieron este sorprendente descubrimiento con la ayuda del telescopio Gemini Norte en Hawai, parte del Observatorio Internacional Gemini, que es operado por NOIRLab de NSF. Las observaciones de Gemini North revelaron un resplandor revelador en el infrarrojo cercano en la ubicación precisa del GRB, proporcionando la primera evidencia convincente de una kilonova asociada con este evento. [1] El equipo de Rastinejad informó rápidamente su detección de Gemini en una circular de la Red de Coordenadas de Rayos Gamma (GCN).

Los astrónomos de todo el mundo fueron alertados por primera vez de esta explosión, llamada GRB 211211A, cuando un poderoso destello de rayos gamma fue recogido por el Observatorio Neil Gehrels Swift dela NASA y el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi. Las observaciones iniciales revelaron que el GRB estaba excepcionalmente cerca, a solo mil millones de años luz de la Tierra.

La mayoría de los GRB se originan en el lejano Universo primitivo. Por lo general, estos objetos son tan antiguos y lejanos que su luz habría tenido que viajar durante más de seis mil millones de años para llegar a la Tierra. La luz del GRB más distante jamás registrado viajó durante casi 13 mil millones de años antes de ser detectada aquí en la Tierra.[2] La relativa proximidad de este GRB recién descubierto permitió a los astrónomos realizar estudios de seguimiento notablemente detallados con una variedad de telescopios terrestres y espaciales.

“Los astrónomos suelen investigar los GRB cortos cuando buscan kilonovas”, dijo Ratinejad. “Nos atrajo esta explosión de mayor duración porque estaba tan cerca que podíamos estudiarla en detalle. Sus rayos gamma también se parecían a los de un GRB largo anterior, misterioso y sin supernova”.

Una firma de observación única de las kilonovas es su brillo en longitudes de onda del infrarrojo cercano en comparación con su brillo en luz visible. Esta diferencia de brillo se debe a los elementos pesados expulsados por la kilonova, que bloquean efectivamente la luz visible pero permiten que la luz infrarroja de longitud de onda más larga pase sin obstáculos. Sin embargo, observar en el infrarrojo cercano es un desafío técnico y solo un puñado de telescopios en la Tierra, como los telescopios gemelos Gemini, son lo suficientemente sensibles para detectar esta kilonova en estas longitudes de onda.

“Gracias a su sensibilidad y nuestra rápida respuesta, Gemini fue el primero en detectar esta kilonova en el infrarrojo cercano, convenciéndonos de que estábamos observando una fusión de estrellas de neutrones”, dijo Rastinejad. “Las capacidades ágiles de Gemini y la variedad de instrumentos nos permiten adaptar el plan de observación de cada noche en función de los resultados de la noche anterior, lo que nos permite aprovechar al máximo cada minuto en que nuestro objetivo estuvo observable”.

Otro equipo, dirigido por Eleonora Troja, astrónoma de la Universidad de Roma Tor Vergata, estudió de forma independiente el resplandor residual utilizando una serie diferente de observaciones, incluido el telescopio Gemini Sur en Chile,[3] y concluyó de forma independiente que el GRB largo procedía de un kilonova.

“Pudimos observar este evento solo porque estaba muy cerca de nosotros”, dijo Troja. “Es muy raro que observemos explosiones tan poderosas en nuestro patio trasero cósmico, y cada vez que lo hacemos aprendemos sobre los objetos más extremos del Universo”.

El hecho de que dos equipos diferentes de científicos que trabajaron con conjuntos de datos independientes llegaron a la misma conclusión sobre la naturaleza kilonova de este GRB proporciona confianza en esta interpretación.

“La interpretación de la kilonova estaba tan alejada de todo lo que sabíamos sobre los GRB largos que no podíamos creer lo que veíamos y pasamos meses probando todas las demás posibilidades”, dijo Troja. “Solo después de descartar todo lo demás nos dimos cuenta de que nuestro paradigma de una década tenía que ser revisado”.

Además de contribuir a nuestra comprensión de las kilonovas y los GRB, este descubrimiento proporciona a los astrónomos una nueva forma de estudiar la formación de oro y otros elementos pesados en el Universo. Las condiciones físicas extremas de las kilonovas producen elementos pesados como el oro, el platino y el torio. Los astrónomos ahora pueden identificar los sitios que están creando elementos pesados buscando la firma de una kilonova después de un estallido de rayos gamma de larga duración.

“Este descubrimiento es un claro recordatorio de que el Universo nunca se resuelve por completo”, dijo Ratinejad. “Los astrónomos a menudo dan por sentado que los orígenes de los GRB se pueden identificar por su longitud, pero este descubrimiento nos muestra que todavía hay mucho más por entender sobre estos asombrosos eventos”.

“NSF felicita a los equipos científicos por este nuevo y emocionante descubrimiento, que abre una nueva ventana a la evolución cósmica”, dijo el director de la Fundación Nacional de Ciencias, Sethuraman Panchanathan. “El Observatorio Internacional Gemini continúa brindando recursos poderosos y ágiles abiertos a toda la comunidad científica a través de la innovación y la asociación”.

Referencias: “Una kilonova después de un estallido de rayos gamma de larga duración a 350 Mpc” por Jillian C. Ratinejad, Benjamin P. Gompertz, Andrew J. Levan, Wen-fai Fong, Matt Nicholl, Gavin P. Lamb, Daniele B. Malesani, Anya E. Nugent, Samantha R. Oates, Nial R. Tanvir, Antonio de Ugarte Postigo, Charles D. Kilpatrick, Christopher J. Moore, Brian D. Metzger, Maria Edvige Ravasio, Andrea Rossi, Genevieve Schroeder, Jacob Jencson, David J. Sand, Nathan Smith, Jose Feliciano Agui Fernandez, Edo Berger, Peter K. Blanchard, Ryan Chornock, Bethany E. Cobb, Massimiliano De Pasquale, Johan PU Fynbo, Luca Izzo, D. Alexander Kann, Tanmoy Laskar, Ester Marini, Kerry Paterson , Alicia Rouco Escorial, Huei M. Sears y Christina C. Thöne, 7 de diciembre de 2022, Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05390-w

“Un estallido cercano de rayos gamma de una fusión de objetos compactos” por E. Troja, C. L. Fryer, B. O’Connor, G. Ryan, S. Dichiara, A. Kumar, N. Ito, R. Gupta y R. A. Gupta Wollaeger, J. P. Norris, N. Kawai, N. Butler, A. Aryan, K. Misra, R. Hosokawa, K. L. Murata, M. Niwano, S. B. Pandey, A. Kutyrev, H. J. van Eerten, E. A. Chase, Y. -D . . . . Hu, MD Knight-Garcia, AJ Castro-Strip, 7 de diciembre de 2022, Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05327-3

Ilustración de la portada: La impresión de este artista muestra una kilonova producida por dos estrellas de neutrones en colisión. Mientras estudiaban las consecuencias de un estallido largo de rayos gamma (GRB), dos equipos independientes de astrónomos que utilizan una gran cantidad de telescopios en el espacio y en la Tierra, incluido el telescopio Gemini Norte en Hawai’i y el telescopio Gemini Sur en Chile, han descubierto las características inesperadas de una kilonova, la colosal explosión provocada por la colisión de estrellas de neutrones. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/motor espacial

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