Fusión explosiva de estrellas de neutrones capturada por primera vez en luz milimétrica

Los científicos que utilizan el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un observatorio internacional cooperado por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., registraron por primera vez la luz de longitud de onda milimétrica de una explosión de fuego causada por el fusión de una estrella de neutrones con otra estrella. El equipo también confirmó que este destello de luz es uno de los estallidos de rayos gamma de corta duración más enérgicos jamás observados, dejando atrás uno de los resplandores posteriores más luminosos registrados. Los resultados de la investigación se publicarán en una próxima edición de Las cartas del diario astrofísico.

Los estallidos de rayos gamma (GRB) son las explosiones más brillantes y energéticas del universo, capaces de emitir más energía en cuestión de segundos que la que emitirá nuestro sol durante toda su vida. GRB 211106A pertenece a una subclase de GRB conocida como estallidos de rayos gamma de corta duración. Estas explosiones, que los científicos creen que son responsables de la creación de los elementos más pesados ​​del universo, como el platino y el oro, son el resultado de la fusión catastrófica de sistemas estelares binarios que contienen una estrella de neutrones. «Estas fusiones ocurren debido a la radiación de ondas gravitatorias que elimina la energía de la órbita de las estrellas binarias, lo que hace que las estrellas giren en espiral una hacia la otra», dijo Tanmoy Laskar, quien pronto comenzará a trabajar como profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah. «La explosión resultante va acompañada de chorros que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando uno de estos chorros apunta a la Tierra, observamos un pulso corto de radiación de rayos gamma o un GRB de corta duración».

Un GRB de corta duración suele durar solo unas pocas décimas de segundo. Luego, los científicos buscan un resplandor posterior, una emisión de luz causada por la interacción de los chorros con el gas circundante. Aun así, son difíciles de detectar; solo se han detectado media docena de GRB de corta duración en longitudes de onda de radio, y hasta ahora no se había detectado ninguno en longitudes de onda milimétricas. Laskar, quien dirigió la investigación mientras era Excellence Fellow en la Universidad de Radboud en los Países Bajos, dijo que la dificultad es la inmensa distancia a los GRB y las capacidades tecnológicas de los telescopios. «Los resplandores posteriores de GRB de corta duración son muy luminosos y energéticos. Pero estas explosiones tienen lugar en galaxias distantes, lo que significa que la luz que emiten puede ser bastante débil para nuestros telescopios en la Tierra. Antes de ALMA, los telescopios milimétricos no eran lo suficientemente sensibles para detectar estos resplandores posteriores. «

A aproximadamente 20 mil millones de años luz de la Tierra, GRB 211106A no es una excepción. La luz de este estallido de rayos gamma de corta duración fue tan débil que, si bien las primeras observaciones de rayos X con el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA vieron la explosión, la galaxia anfitriona era indetectable en esa longitud de onda y los científicos no pudieron determinar exactamente dónde. provenía la explosión. «La luz residual es esencial para determinar de qué galaxia proviene un estallido y para aprender más sobre el estallido en sí. Inicialmente, cuando solo se había descubierto la contraparte de rayos X, los astrónomos pensaron que este estallido podría provenir de una galaxia cercana». dijo Laskar, y agregó que una cantidad significativa de polvo en el área también oscureció la detección del objeto en las observaciones ópticas con el Telescopio Espacial Hubble.

Cada longitud de onda agregó una nueva dimensión a la comprensión científica del GRB, y el milímetro, en particular, fue fundamental para descubrir la verdad sobre el estallido. «Las observaciones del Hubble revelaron un campo invariable de galaxias. La sensibilidad sin igual de ALMA nos permitió identificar la ubicación del GRB en ese campo con más precisión, y resultó estar en otra galaxia débil, que está más lejos. Eso, a su vez, , significa que este estallido de rayos gamma de corta duración es aún más poderoso de lo que pensábamos al principio, lo que lo convierte en uno de los más luminosos y enérgicos registrados», dijo Laskar.

Wen-fai Fong, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad Northwestern, agregó: «Este breve estallido de rayos gamma fue la primera vez que intentamos observar un evento de este tipo con ALMA. Los resplandores posteriores de los estallidos cortos son muy difíciles de encontrar, por lo que fue espectacular capturar este evento brillando tan brillante. Después de muchos años de observar estos estallidos, este sorprendente descubrimiento abre una nueva área de estudio, ya que nos motiva a observar muchos más de estos con ALMA y otros conjuntos de telescopios, en el futuro.»

Joe Pesce, oficial de programa de la Fundación Nacional de Ciencias para NRAO/ALMA, dijo: «Estas observaciones son fantásticas en muchos niveles. Brindan más información para ayudarnos a comprender los enigmáticos estallidos de rayos gamma (y la astrofísica de estrellas de neutrones en general), y demuestran cuán importantes y complementarias son las observaciones de múltiples longitudes de onda con telescopios espaciales y terrestres para comprender los fenómenos astrofísicos».

Y aún queda mucho trabajo por hacer en múltiples longitudes de onda, tanto con los nuevos GRB como con el GRB 211106A, lo que podría descubrir sorpresas adicionales sobre estas ráfagas. «El estudio de los GRB de corta duración requiere la coordinación rápida de telescopios en todo el mundo y en el espacio, que operen en todas las longitudes de onda», dijo Edo Berger, profesor de astronomía en la Universidad de Harvard.

«En el caso de GRB 211106A, utilizamos algunos de los telescopios más potentes disponibles: ALMA, el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la Fundación Nacional de Ciencias, el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Telescopio espacial Hubble. Con la El Telescopio Espacial James Webb (JWST), ahora en funcionamiento, y los futuros telescopios ópticos y de radio de 20 a 40 metros, como el VLA de próxima generación (ngVLA), podremos producir una imagen completa de estos eventos catastróficos y estudiarlos a distancias sin precedentes. «

Laskar agregó: «Con JWST, ahora podemos tomar un espectro de la galaxia anfitriona y conocer fácilmente la distancia, y en el futuro, también podríamos usar JWST para capturar resplandores infrarrojos y estudiar su composición química. Con ngVLA, podremos para estudiar la estructura geométrica de los resplandores posteriores y el combustible de formación de estrellas que se encuentra en sus entornos anfitriones con un detalle sin precedentes. Estoy entusiasmado con estos próximos descubrimientos en nuestro campo».