El observatorio Hubble de la NASA observa un brillo sin explicación de una colosal explosión.
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 el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA. Los científicos rápidamente reclutaron otros telescopios, incluido el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, el Observatorio de radio Very Large Array, el Observatorio W. M. 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.
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| GRB 200522A. 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. Créditos: NASA, ESA, W. Fong (Universidad Northwestern) y T. Laskar (Universidad de Bath, Reino Unido). |
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 en el 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 los estallidos cortos de rayos gamma", dijo el líder del estudio Wen-fai Fong de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. "Dado lo que sabemos sobre la radio y los rayos X de esta explosión, simplemente no coincide. La emisión del 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 juntos, 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.
"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 imaginarnos descubra lo que eso significó para la física detrás de estas explosiones extremadamente enérgicas ".
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| Ilustración de una secuencia de explosión provocada por la colisión kilonova impulsada por magnetar. 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. Créditos: NASA, ESA y D. Player (STScI) |
Las explosiones de rayos gamma, los eventos explosivos más enérgicos que se conocen, viven rápido y mueren pronto. 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 ráfaga 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.
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 en el universo, como el oro y el uranio.
Acompañando un breve estallido 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 una 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 giran 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".
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| Ilustración del autor de la colisión de dos estrellas de neutrones. Créditos: NASA. |
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 se muestre en longitudes de onda de radio. Las observaciones de radio de seguimiento pueden, en última instancia, demostrar que se trataba de una magnetar, y esto puede explicar el origen de tales objetos.
"Con su asombrosa sensibilidad en las longitudes de onda del infrarrojo cercano, el 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, Hubble mostró que una fuente se desvaneció después de la explosión. Esto es en contraposición a ser una fuente estática que permanece sin cambios. Con estas observaciones, sabíamos que no solo habíamos capturado 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 explosión y medir con precisión la luz proveniente de la fusión ".
El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA 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 un próximo número de The Astrophysical Journal.
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, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington, D.C.
Créditos: NASA, ESA, W. Fong (Universidad Northwestern) y T. Laskar (Universidad de Bath, Reino Unido)
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Contactos científicos:
Wen-fai Fong
Universidad Northwestern, Evanston, Illinois
Tanmoy Laskar
Universidad de Bath, Bath, Reino Unido
Edo Berger
Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian, Cambridge, Massachusetts
Enlaces relacionados:
- El artículo científico de W. Fong et al..
- Portal Hubble de la NASA.
- Comunicado de prensa del Observatorio Keck.
- Centro de Astrofísica | Comunicado de prensa de Harvard & Smithsonian.
- Comunicado de prensa de la Universidad de Bath.
- Comunicado de prensa de la Northwestern University.
• Publicado en HubbleSite el 12 de noviembre del 2020, enlace publicación.
