Explosión Kilonova impulsada por magnetar. Crédito: NASA, ESA y D. Player (STScI)
La colisión de una estrella de neutrones libera una desconcertante explosión de luz infrarroja
En nuestro universo infinito, las estrellas pueden chocar en la noche. Cuando esto sucede entre un par de estrellas quemadas y aplastadas llamadas estrellas de neutrones, el espectáculo de fuegos artificiales resultante, llamado kilonova, está más allá de la comprensión. La energía desatada por la colisión brilla brevemente 100 millones de veces más que nuestro Sol.
¿Qué queda del aplastamiento? Normalmente, un objeto aún más aplastado llamado calabozo. Pero en este caso, Hubble encontró pistas forenses de algo aún más extraño que sucedió después de la colisión frontal.
La intensa avalancha de rayos gamma que señalan a los astrónomos sobre este evento se ha visto antes en otras explosiones estelares. Pero algo inesperado apareció en la visión infrarroja cercana del Hubble. Aunque una ráfaga de radiación después de la explosión, que se extiende desde rayos X hasta ondas de radio, parecía típica, la radiación infrarroja no lo era. Fue 10 veces más brillante de lo previsto para las kilonovas. Sin el Hubble, el estallido de rayos gamma habría aparecido como muchos otros, y los científicos no se habrían enterado del extraño componente infrarrojo.
La explicación más plausible es que las estrellas de neutrones en colisión se fusionaron para formar una más masiva. estrella neutrón. Es como destrozar dos Volkswagen Beetle y conseguir una limusina. Esta nueva bestia brotó un poderoso campo magnético, convirtiéndola en una clase única de objeto llamado magnetar. La magnetar depositó energía en el material expulsado, lo que hizo que brillara aún más en luz infrarroja de lo previsto. (¡Si una magnetar volara a 100.000 millas de la Tierra, su intenso campo magnético borraría los datos de todas las tarjetas de crédito de nuestro planeta!)
Esta imagen muestra el brillo de una kilonova causado por la fusión de dos estrellas de neutrones. La kilonova, cuyo brillo máximo alcanza hasta 10.000 veces el de una nova clásica, aparece como un punto brillante (indicado por la flecha) en la parte superior izquierda de la galaxia anfitriona. Se cree que la fusión de las estrellas de neutrones produjo una magnetar, que tiene un campo magnético extremadamente poderoso. La energía de esa magnetar iluminó el material expulsado por la explosión. Crédito: NASA, ESA, W. Fong (Universidad Northwestern) y T. Laskar (Universidad de Bath, Reino Unido)
Hace mucho tiempo y en todo el universo, una enorme explosión de rayos gamma desencadenó más energía en medio segundo de la que producirá el Sol durante toda su vida de 10 mil millones de años. En mayo de 2020, la luz del destello finalmente llegó a la Tierra y fue detectada por primera vez por NASAObservatorio Swift de Neil Gehrels. Los científicos rápidamente reclutaron otros telescopios, incluido el de la NASA. telescopio espacial Hubble, el radioobservatorio Very Large Array, el Observatorio WM Keck y la red del Telescopio Global del Observatorio Las Cumbres, para estudiar las secuelas de la explosión y la galaxia anfitriona. Hubble fue el que proporcionó la sorpresa.
Según las observaciones de rayos X y radio de los otros observatorios, los astrónomos quedaron desconcertados por lo que vieron con el Hubble: la emisión del infrarrojo cercano fue 10 veces más brillante de lo previsto. Estos resultados desafían las teorías convencionales de lo que sucede después de una breve explosión de rayos gamma. Una posibilidad es que las observaciones apunten al nacimiento de una estrella de neutrones masiva y altamente magnetizada llamada magnetar.
«Estas observaciones no se ajustan a las explicaciones tradicionales de las explosiones cortas de rayos gamma», dijo el líder del estudio, Wen-fai Fong, de Northwestern University en Evanston, Illinois. “Dado lo que sabemos sobre la radio y los rayos X de esta explosión, simplemente no concuerda. La emisión de infrarrojo cercano que estamos encontrando con el Hubble es demasiado brillante. En términos de tratar de encajar las piezas del rompecabezas de este estallido de rayos gamma, una pieza del rompecabezas no encaja correctamente «.
Sin Hubble, el estallido de rayos gamma habría aparecido como muchos otros, y Fong y su equipo no se habrían enterado del extraño comportamiento infrarrojo. “Me sorprende que después de 10 años de estudiar el mismo tipo de fenómeno, podamos descubrir un comportamiento sin precedentes como este”, dijo Fong. “Simplemente revela la diversidad de explosiones que el universo es capaz de producir, lo cual es muy emocionante”.
Luz Fantástica
Los intensos destellos de rayos gamma de estos estallidos parecen provenir de chorros de material que se mueven extremadamente cerca de la velocidad de la luz. Los chorros no contienen mucha masa, tal vez una millonésima parte de la masa del Sol, pero debido a que se mueven tan rápido, liberan una enorme cantidad de energía en todas las longitudes de onda de la luz. Este particular estallido de rayos gamma fue uno de los raros casos en los que los científicos pudieron detectar luz en todo el espectro electromagnético.
Esta ilustración muestra la secuencia para formar una kilonova impulsada por magnetar, cuyo brillo máximo alcanza hasta 10.000 veces el de una nova clásica. 1) Dos estrellas de neutrones en órbita se acercan cada vez más en espiral. 2) Chocan y se fusionan, provocando una explosión que libera más energía en medio segundo de la que producirá el Sol durante toda su vida útil de 10 mil millones de años. 3) La fusión forma una estrella de neutrones aún más masiva llamada magnetar, que tiene un campo magnético extraordinariamente poderoso. 4) La magnetar deposita energía en el material expulsado, lo que hace que brille inesperadamente en longitudes de onda infrarrojas. Crédito: NASA, ESA y D. Player (STScI)
“A medida que llegaban los datos, estábamos formando una imagen del mecanismo que producía la luz que estábamos viendo”, dijo el co-investigador del estudio, Tanmoy Laskar de la Universidad de Bath en el Reino Unido. “Cuando obtuvimos las observaciones del Hubble, tuvimos que cambiar completamente nuestro proceso de pensamiento, porque la información que agregó Hubble nos hizo darnos cuenta de que teníamos que descartar nuestro pensamiento convencional y que estaba ocurriendo un nuevo fenómeno. Luego tuvimos que averiguar qué significaba eso para la física detrás de estas explosiones extremadamente enérgicas «.
Las explosiones de rayos gamma, los eventos explosivos más enérgicos que se conocen, viven rápido y mueren con fuerza. Se dividen en dos clases según la duración de sus rayos gamma.
Si la emisión de rayos gamma es superior a dos segundos, se denomina explosión prolongada de rayos gamma. Se sabe que este evento es el resultado directo del colapso del núcleo de una estrella masiva. Los científicos esperan que una supernova acompañe a este tipo de explosión más prolongada.
Si la emisión de rayos gamma dura menos de dos segundos, se considera una ráfaga corta. Se cree que esto se debe a la fusión de dos estrellas de neutrones, objetos extremadamente densos sobre la masa del Sol comprimidos en el volumen de una ciudad. Una estrella de neutrones es tan densa que en la Tierra, ¡una cucharadita pesaría mil millones de toneladas! Generalmente se cree que una fusión de dos estrellas de neutrones produce un agujero negro.
Estas dos imágenes tomadas el 26 de mayo y el 16 de julio de 2020, muestran la luz tenue de una kilonova ubicada en una galaxia remota. La kilonova aparece como un punto en la parte superior izquierda de la galaxia anfitriona. El brillo es prominente en la imagen del 26 de mayo, pero se desvanece en la imagen del 16 de julio. El brillo máximo de la kilonova alcanza hasta 10.000 veces el de una nova clásica. Se cree que una fusión de dos estrellas de neutrones, la fuente de la kilonova, produjo una magnetar, que tiene un campo magnético extremadamente poderoso. La energía de esa magnetar iluminó el material expulsado por la explosión, lo que hizo que se volviera inusualmente brillante en longitudes de onda de luz infrarroja. Crédito: NASA, ESA, W. Fong (Universidad Northwestern), T. Laskar (Universidad de Bath, Reino Unido) y A. Pagan (STScI)
Las fusiones de estrellas de neutrones son muy raras pero son extremadamente importantes porque los científicos piensan que son una de las principales fuentes de elementos pesados del universo, como el oro y el uranio.
Acompañando una breve explosión de rayos gamma, los científicos esperan ver una «kilonova» cuyo brillo máximo alcanza típicamente 1.000 veces el de una nova clásica. Las kilonovas son un resplandor óptico e infrarrojo de la desintegración radiactiva de elementos pesados y son exclusivos de la fusión de dos estrellas de neutrones o de la fusión de una estrella de neutrones con un pequeño agujero negro.
¿Monstruo magnético?
Fong y su equipo han discutido varias posibilidades para explicar el brillo inusual que vio Hubble. Si bien la mayoría de las explosiones cortas de rayos gamma probablemente resulten en un agujero negro, las dos estrellas de neutrones que se fusionaron en este caso pueden haberse combinado para formar un magnetar, una estrella de neutrones supermasiva con un campo magnético muy poderoso.
«Básicamente, tienes estas líneas de campo magnético que están ancladas a la estrella y que se mueven alrededor de mil veces por segundo, y esto produce un viento magnetizado», explicó Laskar. «Estas líneas de campo giratorio extraen la energía de rotación de la estrella de neutrones formada en la fusión y depositan esa energía en la eyección de la explosión, haciendo que el material brille aún más».
Esta animación muestra la secuencia para formar una kilonova impulsada por magnetar, cuyo brillo máximo alcanza hasta 10.000 veces el de una nova clásica. En esta secuencia, dos estrellas de neutrones en órbita se acercan cada vez más en espiral antes de chocar y fusionarse. Esto desencadena una explosión que libera más energía en medio segundo de la que producirá el Sol durante toda su vida útil de 10 mil millones de años. La fusión forma una estrella de neutrones aún más masiva llamada magnetar, que tiene un campo magnético extraordinariamente poderoso. La magnetar deposita energía en el material expulsado, haciendo que brille inesperadamente en longitudes de onda infrarrojas. Crédito: NASA, ESA y D. Player (STScI)
Si el brillo adicional provino de una magnetar que depositó energía en el material de la kilonova, dentro de unos años, el equipo espera que la eyección del estallido produzca luz que aparece en longitudes de onda de radio. Las observaciones de radio de seguimiento pueden, en última instancia, demostrar que se trataba de un magnetar, y esto puede explicar el origen de tales objetos.
“Con su asombrosa sensibilidad en longitudes de onda del infrarrojo cercano, Hubble realmente selló el trato con esta explosión”, explicó Fong. “Sorprendentemente, Hubble pudo tomar una imagen solo tres días después de la explosión. A través de una serie de imágenes posteriores, el Hubble mostró que una fuente se desvaneció después de la explosión. Esto se opone a ser una fuente estática que permanece sin cambios. Con estas observaciones, sabíamos que no solo habíamos descubierto la fuente, sino que también habíamos descubierto algo extremadamente brillante y muy inusual. La resolución angular del Hubble también fue clave para identificar la posición de la ráfaga y medir con precisión la luz proveniente de la fusión «.
La próxima NASA Telescopio espacial James Webb es particularmente adecuado para este tipo de observación. «Webb revolucionará completamente el estudio de eventos similares», dijo Edo Berger de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, e investigador principal del programa Hubble. «Con su increíble sensibilidad infrarroja, no solo detectará dicha emisión a distancias aún mayores, sino que también proporcionará información espectroscópica detallada que resolverá la naturaleza de la emisión infrarroja».
Los hallazgos del equipo aparecen en una próxima edición de El diario astrofísico.
El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, realiza operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington, DC