La misión Compton retirada de la NASA revela estrellas de neutrones superpesadas
Los astrónomos que estudian las observaciones de archivo de poderosas explosiones llamadas estallidos cortos de rayos gamma (GRB) han detectado patrones de luz que indican la breve existencia de una estrella de neutrones superpesada poco antes de colapsar en un agujero negro. Este objeto fugaz y masivo probablemente se formó a partir de la colisión de dos estrellas de neutrones.
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| Las estrellas de neutrones fusionadas, ilustradas aquí, producen una explosión de rayos gamma cuando se juntan y colapsan en un agujero negro. Las observaciones de dos explosiones realizadas por la misión Compton de la NASA indican que antes de su colapso final, los objetos forman brevemente una sola estrella de neutrones de gran tamaño. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Laboratorio CI |
“Buscamos estas señales en 700 GRB cortos detectados con el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi y el Observatorio de Rayos Gamma Compton”, explicó Cecilia Chirenti, investigadora de la Universidad de Maryland, College Park (UMCP). y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, quienes presentaron los hallazgos en la reunión 241 de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Seattle. “Encontramos estos patrones de rayos gamma en dos ráfagas observadas por Compton a principios de la década de 1990”.
Un artículo que describe los resultados, dirigido por Chirenti, se publicó el lunes 9 de enero en la revista científica Nature.
Una estrella de neutrones se forma cuando el núcleo de una estrella masiva se queda sin combustible y colapsa. Esto produce una onda de choque que hace volar el resto de la estrella en una explosión de supernova. Las estrellas de neutrones suelen acumular más masa que nuestro Sol en una bola del tamaño de una ciudad, pero por encima de cierta masa, deben colapsar en agujeros negros.
Tanto los datos de Compton como las simulaciones por computadora revelaron megaestrellas de neutrones que inclinan la balanza un 20% más que la estrella de neutrones más masiva y medida con precisión conocida, denominada J0740+6620, que pesa casi 2,1 veces la masa del Sol. Las estrellas de neutrones superpesadas también tienen casi el doble del tamaño de una estrella de neutrones típica, o aproximadamente el doble de la longitud de la isla de Manhattan.
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| Los astronautas tomaron imágenes del Observatorio de Rayos Gamma Compton durante su despliegue desde el transbordador espacial Atlantis en abril de 1991. Crédito: tripulación de la NASA/STS-37 |
Las megaestrellas de neutrones giran casi 78 000 veces por minuto, casi el doble de la velocidad de J1748–2446ad, el púlsar más rápido registrado. Esta rápida rotación sostiene brevemente a los objetos contra un mayor colapso, permitiéndoles existir por solo unas décimas de segundo, después de lo cual proceden a formar un agujero negro más rápido que un abrir y cerrar de ojos.
"Sabemos que los GRB cortos se forman cuando las estrellas de neutrones en órbita chocan entre sí, y sabemos que eventualmente colapsan en un agujero negro, pero la secuencia precisa de eventos no se comprende bien", dijo Cole Miller, profesor de astronomía en UMCP y colega. -autor del artículo. "En algún momento, el agujero negro naciente entra en erupción con un chorro de partículas de rápido movimiento que emite un intenso destello de rayos gamma, la forma de luz de mayor energía, y queremos aprender más sobre cómo se desarrolla".
Los GRB cortos suelen brillar durante menos de dos segundos, pero liberan energía comparable a la que liberan todas las estrellas de nuestra galaxia durante un año. Se pueden detectar a más de mil millones de años luz de distancia. La fusión de estrellas de neutrones también produce ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo que pueden ser detectadas por un número creciente de observatorios terrestres.
Las simulaciones por computadora de estas fusiones muestran que las ondas gravitacionales exhiben un salto repentino en la frecuencia, que supera los 1,000 hercios, a medida que las estrellas de neutrones se unen. Estas señales son demasiado rápidas y débiles para que las detecten los observatorios de ondas gravitacionales existentes. Pero Chirenti y su equipo razonaron que podrían aparecer señales similares en la emisión de rayos gamma de los GRB cortos.
Los astrónomos llaman a estas señales oscilaciones cuasiperiódicas, o QPO para abreviar. A diferencia, por ejemplo, del sonido constante de un diapasón, los QPO pueden estar compuestos por varias frecuencias cercanas que varían o se disipan con el tiempo. Tanto los QPO de rayos gamma como de ondas gravitacionales se originan en la vorágine de materia arremolinada cuando las dos estrellas de neutrones se unen.
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| En esta animación, una estrella de neutrones (esfera azul) gira en el centro de un colorido disco de gas, parte del cual sigue el campo magnético (líneas azules) y fluye (arcos azul-blanco) hacia la superficie del objeto. Una interpretación de las oscilaciones cuasiperiódicas observadas en los rayos X en estos sistemas es la formación de un punto caliente (óvalo blanco) cerca del borde interior del disco, que se expande y contrae a medida que cambian sus propiedades. Debido a esta órbita irregular, la emisión del punto caliente varía dentro de un rango de frecuencias. Créditos: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA |
Si bien no se materializaron QPO de rayos gamma en las ráfagas de Swift y Fermi, dos GRB cortos registrados por el Experimento de fuentes transitorias y ráfagas de Compton (BATSE) el 11 de julio de 1991 y el 1 de noviembre de 1993 cumplen con los requisitos.
El área más grande del instrumento BATSE le dio la ventaja para encontrar estos patrones débiles: el parpadeo revelador que reveló la presencia de mega estrellas de neutrones. El equipo califica las probabilidades combinadas de que estas señales ocurran solo por casualidad en menos de 1 en 3 millones.
“Estos resultados son muy importantes ya que sientan las bases para futuras mediciones de estrellas de neutrones hipermasivas por parte de observatorios de ondas gravitacionales”, dijo Chryssa Kouveliotou, presidenta del departamento de física de la Universidad George Washington en Washington, quien no participó en el trabajo.
Para la década de 2030, los detectores de ondas gravitacionales serán sensibles a las frecuencias de kilohercios, lo que proporcionará nuevos conocimientos sobre la corta vida de las estrellas de neutrones de gran tamaño. Hasta entonces, las observaciones sensibles de rayos gamma y las simulaciones por computadora siguen siendo las únicas herramientas disponibles para explorarlos.
El instrumento BATSE de Compton fue desarrollado en el Marshall Space Flight Center de la NASA en Huntsville, Alabama, y proporcionó la primera evidencia convincente de que los estallidos de rayos gamma ocurrieron mucho más allá de nuestra galaxia. Después de operar durante casi nueve años, el Observatorio de Rayos Gamma de Compton fue desorbitado el 4 de junio de 2000 y destruido cuando ingresaba a la atmósfera terrestre.
Goddard gestiona las misiones Swift y Fermi.
por Francis Reddy
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
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Claire Andreoli
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
(301) 286-1940
Última actualización: 10 de enero de 2023, enlace publicación.
Montaje: Francis Reddy
