Revelación explosiva: observan por primera vez destello de fusión de estrella de neutrones en luz milimétrica

3 Agosto, 2022 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) por primera vez un equipo de investigación detectó luz en longitudes de onda milimétricas proveniente de una fuerte explosión causada por la fusión de una estrella de neutrones con otra estrella. El equipo confirmó que se trata del destello de rayos gamma más energético y de menor duración jamás observado, que además deja tras de sí una de las luminiscencias residuales más luminosas de las que se tiene registro. Los resultados de esta investigación se publicarán próximamente en The Astrophysical Journal Letters. 

Los destellos de rayos gamma son las explosiones más brillantes y energéticas del Universo, capaces de emitir en pocos segundos más energía de la que habrá emitido nuestro Sol durante toda su existencia. GRB 211106A pertenece a una subclase de destellos conocidos como destellos de rayos gamma de corta duración. Estas explosiones, a los que la comunidad científica atribuye la creación de los elementos más pesados del Universo como el platino y el oro, son el resultado de una fusión violenta entre sistemas estelares binarios que contienen una estrella de neutrones. “Estas fusiones ocurren por efecto de la radiación de ondas gravitacionales que despojan la órbita de las estrellas binarias de su energía. De esa forma, las estrellas se acercan una a la otra y terminan chocando”, explica Tanmoy Laskar, quien pronto se desempeñará como profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah. “A su vez, la explosión resultante emite chorros a velocidades cercanas a la de la luz. Cuando uno de esos chorros se emite en dirección de la Tierra, observamos una corta pulsación de radiación de rayos gamma, conocida como destello de rayos gamma de corta duración”.

Estos destellos suelen durar unas décimas de segundo. El equipo científico luego buscó indicios de luminiscencia residual, un fenómeno causado por la interacción de los chorros con el gas circundante. Los destellos de rayos gamma de corta duración son difíciles de detectar, y a la fecha solo se han observado media docena de ellos en longitudes de onda de radio, y no se había detectado ninguno en longitudes de onda milimétricas. Tanmoy Laskar, quien dirigió la investigación mientras cursaba una beca Excellence Fellow de la Universidad Radboud en Países Bajos, explica que la dificultad estriba en la gran distancia que nos separa de los destellos de rayos gamma y la capacidad tecnológica de los telescopios. “Aunque la luminiscencia residual de los destellos de rayos gamma de corta duración es muy brillante y energética, estos destellos se producen en galaxias muy distantes, con lo cual la luz que emiten puede ser bastante tenue para nuestros telescopios terrestres. Antes de ALMA, los telescopios milimétricos no eran lo suficientemente sensibles para detectar la luminiscencia residual”.

Habiendo ocurrido cuando el Universo tenía solo el 40 por ciento de su edad actual, GRB 211106A no es una excepción. La luz que emitió es tan tenue que, si bien el observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA había detectado la explosión en rayos X, la galaxia anfitriona era imposible de detectar en esa longitud de onda, y la comunidad científica no logró determinar exactamente de dónde provenía la explosión. “La luminiscencia residual es fundamental para determinar de qué galaxia proviene un destello y para entender mejor el fenómeno en sí. En un principio, cuando solo se habían realizado las observaciones en rayos X, la comunidad científica creyó que este destello podía provenir de una galaxia cercana”, señala Tanmoy Laskar, quien agrega que la gran cantidad de polvo presente en el área también dificultó la detección del objeto en las observaciones ópticas realizadas con el telescopio espacial Hubble. 

Con cada nueva longitud de onda usada, la comunidad científica logró entender un poco mejor los destellos de rayos gamma, y las observaciones en ondas milimétricas fueron particularmente importantes para llegar al meollo del asunto. “Las observaciones revelaron un campo de galaxias inmutable. La sensibilidad sin precedentes de ALMA nos permitió determinar con mayor precisión la ubicación del destello de rayos gamma en ese campo, y descubrimos que provenía de otra galaxia tenue que se encuentra más lejos. Eso significa que este destello es aún más potente de lo que creíamos, y figura entre los más luminosos y energéticos observados a la fecha”, afirma Tanmoy Laskar.

Wen-fai Fong, profesora asistente de física y astronomía de la Northwestern University, agrega: “Este destello de rayos gamma de corta duración fue el primero que tratamos de observar con ALMA. La luminiscencia residual de este tipo de destello es muy difícil de detectar, por lo que observar este fenómeno tan brillante fue algo espectacular. Tras muchos años de observación en busca de estos destellos, este sorprendente hallazgo inaugura una nueva área de estudio al motivarnos a observar muchos más fenómenos de este tipo con ALMA y otros telescopios en el futuro”. 

Joe Pesce, Program Officer de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos para NRAO/ALMA, celebra: “Estas observaciones son fantásticas en muchos sentidos, puesto que nos proporcionan información que nos ayuda a entender los enigmáticos destellos de rayos gamma (y la astrofísica de las estrellas de neutrones en general) y demuestran la importancia y complementariedad de las observaciones en múltiples longitudes de onda realizadas con telescopios terrestres y espaciales para entender los fenómenos astrofísicos”.

Aún quedan muchas observaciones por realizar en distintas longitudes de onda, tanto para nuevos destellos de rayos gamma como en el caso de 211106A, y estas podrían traer nuevas sorpresas. “El estudio de los destellos de rayos gamma de corta duración requiere una rápida coordinación entre telescopios ubicados en distintas partes del mundo y en el espacio para abarcar todas las longitudes de onda”, explica Edo Berger, profesor de astronomía de la Universidad Harvard. “En el caso del destello de rayos gamma 211106A, usamos algunos de los telescopios más avanzados que existen: ALMA, el Karl G. Jansky Very Large Array de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos, el Observatorio Chandra de Rayos X de la NASA y el telescopio espacial Hubble. Con el telescopio espacial James Webb ahora en operación y los futuros telescopios de radio y ópticos de 20-40 metros, como el Next Generation VLA (ngVLA), podremos obtener un panorama completo de estos eventos cataclísmicos y estudiarlos a distancias sin precedentes”.  

Tanmoy Laskar agrega: “Con el telescopio James Webb ahora podemos obtener todo el espectro de la galaxia anfitriona y calcular fácilmente su distancia, y en el futuro también podríamos usarlo para captar luminiscencias residuales infrarrojas y estudiar su composición química. Con el ngVLA, podremos estudiar con un nivel de detalle sin precedentes la estructura geométrica de las luminiscencias residuales y el combustible estelar presente en su entorno. Estoy muy entusiasmado con los hallazgos que nos esperan en ese campo”.

Información adicional

Esta investigación será publicada bajo el título “The First Short GRB Millimeter Afterglow: The Wide-Angled Jet of the Extremely Energetic SGRB 211106A,” [El primer resplandor milimétrico corto de GRB: el chorro de gran angular del extremadamente enérgico SGRB 211106A] por Laskar et al (2022) en The Astrophysical Journal Letters. Pre-print: arxiv.

El comunicado de prensa original fue publicado en inglés por el Observatorio Radioastronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en nombre de América del Norte.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

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