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Por primera vez observan directamente colisión de estrellas de neutrones

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Por primera vez, científicos detectaron radiación (luz) y ondas gravitacionales derivadas de la fusión de dos estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993, ubicada unos 130 millones de años luz de distancia de la Tierra, en la constelación de Hydra (La Hidra).

El 17 de agosto de 2017, poco después de la hora 8:41 a.m., hora del Este de Estados Unidos, el Telescopio Espacial de rayos gamma Fermi identificó un pulso de luz (que algunos textos científicos traducen como haz de faro) desde una explosión poderosa, que inmediatamente fue reportada a astrónomos de todo el mundo como un impulso corto de rayos gamma.

Creación artística que ilustra la colisión de dos estrellas de neutrones y la generación de ondas gravitacionales (arcos pálidos), rayos gamma (magenta), rayos X (azul), radiación ultravioleta (violeta), visible e infrarroja (de azul claro a rojo). Crédito de la imagen: CI Lab del Centro Espacial Goddard, de la NASA.

Los científicos del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO1), detectaron ondas gravitacionales, que denominaron GW1708172, de un par de estrellas en colisión, ligado a la explosión de rayos gamma, convocando a los astrónomos a buscar las consecuencias del estallido. Poco después, la explosión fue detectada como parte de un análisis de seguimiento del satélite INTEGRAL, de la Agencia Espacial Europea.

Las misiones Swift, Hubble, Chandra y Spitzer, junto a varios observatorios en la superficie terrestre, como la misión de monitoreo Pan-STARRS, capturaron más tarde el brillo que se desvanecía de los desechos resultantes del estallido.

Animación que muestra la radiación y las ondas gravitacionales generadas por la colisión de un par de estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993.

“Esta es ciencia extremadamente emocionante. Ahora, por primera vez, hemos visto luz y ondas gravitacionales producidas por el mismo evento. La detección de las ondas gravitacionales y luz generadas por un mismo evento reveló detalles que no podrían haber sido determinados únicamente por las ondas gravitacionales. Es increíble el efecto multiplicador del estudio con varios observatorios”, señaló Paul Hertz, director de la División Astrofísica de la NASA, con asiento en las oficinas centrales de la agencia en Washington.

Kilonova

El Telescopio Óptico y Ultravioleta Swift, obtuvo información de la colisión de dos estrellas de neutrones el 18 de agosto de 2017, nas 15 horas después que fueran detectados las ondas gravitacionales y el estallido de rayos gamma. La fuente fue inesperadamente brillante en luz ultravioleta. Se debilitó con rapidez y no pudo ser detectada otra vez en UV cuando Swift buscó en la zona el 29 de agosto. Esta composición en falso color combina imágenes adquiridas a través de tres filtros ultravioletas. Incrustada, arriba a la derecha, pueden verse versiones magnificadas de la galaxia. Crédito: NASA/Swift

Las estrellas de neutrones son los núcleos triturados remanentes de estrellas masivas que habían explotado como supernovas mucho tiempo atrás (hablando cosmológicamente). Las estrellas fusionándose tienen masas 10 a 60 por ciento más grandes que la de nuestro Sol, pero no son más extensas que Washington, la capital de Estados Unidos. El par rotó una en torno a otra cientos de veces por segundo, produciendo ondas gravitacionales en la misma frecuencia. A medida que se acercaban y orbitaban más rápido, eventualmente las estrellas se partieron y fusionaron3, produciendo un estallido de rayos gamma y una intensificación repentina, raramente vista, llamada “kilonova”.

La ilustración muestra la nube de desechos caliente y densa expandiéndose por las estrellas de neutrones poco antes de la colisión. La nube produce la radiación visible e infrarroja de la kilonova. En el interior de esta nube rica en neutrones, son generadas enormes cantidades de los elementos más pesados del Universo, incluidos el oro y el platino, con masas cientos de veces mayores a la de la Tierra. Crédito de la imagen: CI Lab/Centro Espacial Goddard de la NASA.

“Es lo que todos estábamos esperando. Las fusiones de estrellas de neutrones producen una amplia variedad de luz porque, cuando colisionan, esos objetos forman un torbellino de desechos calientes. La fusión de agujeros negros, los tipos de eventos que han sido observados previamente por LIGO y Virgo, su contraparte europea, consumen cualquier materia que se halle a su alrededor, mucho antes de su choque, así que no esperamos que se vea el mismo tipo de luz”, explicó David Reitze, director ejecutivo del Laboratorio LIGO en Caltech, Pasadena, California, Estados Unidos.

Ilustración que trata de mostrarnos la danza frenética de dos estrellas de neutrones, que en el proceso general ondas gravitacionales (uno de los arcos es muy visible a la izquierda de la estrella de arriba). Además en el abrazo de colisión, generan desechos calientes que causan estallidos breves de rayos gamma. Crédito de la imagen: CI Lab/Centro Espacial Goddard de la NASA.

“La explicación favorita, para los estallidos cortos de rayos gamma, es que son causados por chorros de desechos moviéndose cerca de la velocidad de la luz producida en la fusión de estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones y un agujero negro. LIGO nos dice que allí hubo una fusión de objetos compactos, y Fermi que hubo un estallido corto de rayos gamma. Uniendo ambos, sabemos que observamos la fusión de dos estrellas de neutrones, y confirmamos dramáticamente que están relacionados”, expresó Eric Burns, integrante del equipo de Monitoreo de Estallidos de Rayos Gamma del Observatorio Fermi, perteneciente al Centro Espacial Goddard, de la NASA, con sede en Greenbelt, Maryland, Estados Unidos.

Conferencia realizada en la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos, que fondea la colaboración LIGO. LIGO, Virgo, y observatorios espaciales y asentados en la superficie terrestre observaron por primera vez, ondas gravitacionales y estallidos de radiación en rayos gamma, rayos X, ultravioleta y luz visible, surgidos de la misma fuente, con horas y/o días de diferencia.

A escasas horas de la detección inicial realizada por Fermi, LIGO y el detector Virgo, en el Observatorio Gravitacional Europeo, cerca de Pisa, Italia, refinaron en gran medida la posición del evento en el cielo con análisis adicionales de información de la onda gravitacional. Luego, observatorios ubicados en la superficie terrestre ubicaron una nueva fuente óptica e infrarroja, la kilonova, en NGC 4993.

Un estallido muy particular

Tras la colisión de las estrellas de neutrones, surgen chorros, o jets, que se expanden por el espacio, generando estallidos de rayos gamma, detectados por el Observatorio Fermi. Crédito de la imagen: CI Lab/Centro Espacial Goddard, de la NASA.

Para el Observatorio Fermi, el evento aparentaba ser un típico estallido corto de rayos gamma, pero este ocurrió a menos de un décimo de distancia de cualquier otro estallido corto con una distancia conocida, convirtiéndolo en unos de los más difusos conocidos. Los astrónomos aún están tratando de comprender por qué es tan singular este estallido, y cómo se relaciona este evento con los estallidos de rayos gamma más luminosos que han sido observados a distancias más grandes.

Swift observó la radiación ultravioleta

Las misiones Swift, Hubble y Spitzer siguieron la evolución de la kilonova para comprender mejor la composición de este material que se mueve lentamente, mientras que el Observatorio Chandra buscó los rayos X asociados a los remanentes del chorro ultraveloz.

Esta animación desarrollada por el CI Lab del Centro Espacial Goddard, de la NASA, ilustra cómo los interferómetros de LIGO captaron las ondas gravitacionales del estallido en NGC 4993, y cómo el Observatorio Espacial Fermi ‘vio’ las emisiones de rayos gamma vinculadas al fenómeno.

Cuando el Observatorio Swift se volvió hacia la galaxia, poco después de la detección del estallido de rayos gamma realizado por Fermi, halló una fuente ultravioleta brillante que se debilitaba rápidamente.

“No esperábamos que una kilonova produjera una emisión ultravioleta brillante. Pensamos que esto había sido producido por un disco de desechos de escasa duración que había motorizado el estallido de rayos gamma”, manifestó S. Bradley Cenko, investigador principal de Swift, quien pertenece al Centro Espacial Goddard.

El retardo en Chandra

La kilonova asociada con la onda gravitacional GW170817 (recuadro) fue observada por el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio de Rayos X Chandra. El Hubble detectó luz visible e infrarroja de los desechos calientes esparciéndose. Las estrellas de neutrones fusionándose produjeron ondas gravitacionales y lanzaron chorros que produjeron estallidos de rayos gamma. Nueve días después del estallido, Chandra captó el resplandor en rayos X emitidos por los jets dirigidos hacia la Tierra y captados desde nuestra línea de observación. Crédito: NASA/CXC/E. Troja

Con el paso del tiempo, el material arrojado por el chorro pierde velocidad y se extiende a medida que barre y calienta el material interestelar, produciendo una emisión denominada resplandor crepuscular, que incluye a los rayos X. Pero los observatorios espaciales no vieron rayos X, una sorpresa porque se trató de un evento que produjo rayos gamma de alta energía.

El Observatorio de Rayos X Chandra, detectó con claridad los rayos X nueve días después del descubrimiento de la fuente original. Los científicos pensaron que el retardo resultaba del ángulo de visión desde la Tierra, y el tiempo que le tomó al chorro dirigido hacia la Tierra expandirse en nuestra línea de visión.

“La detección de rayos X demuestra que las estrellas de neutrones fusionándose pueden formar chorros poderosos chorros que fluyen cerca de la velocidad de la luz. Tuvimos que esperar nueve días para detectarlo, porque lo vimos de costado, a diferencia de todo lo que habíamos visto antes”, indicó Eleonora Troja, quien condujo uno de los equipos de Chandra y quien halló la emisión de rayos X.

A la vista del Hubble

El 22 de agosto, el Telescopio Espacial Hubble comenzó a adquirir imágenes de la kilonova y de su espectro infrarrojo cercano, el que reveló el movimiento y la composición química de los desechos expandiéndose.

“El espectro se vio exactamente tal como los físicos teóricos habían predicho que podría aparecer el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones. El objeto y las ondas gravitacionales quedaron vinculados más allá de toda duda razonable”, indicó Andrew Levan, de la Universidad de Warwick en Coventry, Inglaterra, quien lideró una de las proposiciones para la observación del espectro con el Hubble.

El papel de Spitzer

Los astrónomos piensan que la luz visible e infrarroja de una kilonova, es originada por el calentamiento derivado del decaimiento radioactivo de elementos formados en los desechos ricos en neutrones. Las colisiones de estrellas de neutrones pueden ser la fuente principal de muchos de los elementos más pesados, incluyendo al oro y al platino.

Debido a que su órbita persigue a la Tierra, el Observatorio Spitzer dispuso de una ubicación excepcional para observar la kilonova, mucho tiempo después que el Sol se moviera demasiado cerca de la galaxia de origen, lo que impedía que pudieran verla otros telescopios. La observación del 30 de septiembre realizada con Spitzer capturó la luz infrarroja con mayor longitud de onda proveniente de la kilonova, lo que reveló la cantidad de elementos pesados producidos.

“Spitzer fue el último en unirse a la fiesta, pero tendría la palabra final sobre cuánto oro había sido producido”, dijo Mansi Kasliwal, profesor asistente de Caltech e investigador principal del programa de observación con Spitzer.

Ilustración de dos estrellas de neutrones en el proceso de fusión. La ondulante grilla espacio-tiempo representa ondas gravitacionales que se alejan de la colisión, mientras que haces angostos muestran la explosión de rayos gamma disparados segundos después de las ondas gravitacionales. También se aprecian nubes arremolinadas de material despedido por las estrellas en fusión. Las nubes despiden radiación que brilla en longitudes de onda visible, entre otras. Crédito de la imagen: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Muchos artículos científicos describiendo e interpretando las observaciones fueron difundidos en publicaciones científicas de renombre: Science, Nature, Physical Review Letters y The Astrophysical Journal, entre otras.

Las ondas gravitacionales fueron detectadas directamente por primera vez en 2015 por LIGO, y a sus principales figuras les fue otorgado el Premio Nobel en Física 2017, por el descubrimiento realizado, que corrobora teorías esbozadas más de un siglo atrás por Albert Einstein.

Notas al pie

Este artículo es una traducción libre del comunicado de la NASA: “NASA Missions Catch First Light from a Gravitational-Wave Event”


  1. LIGO por las iniciales en inglés de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, que es financiado por la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos (en inglés National Science Foundation) [return]
  2. GW170817, podríamos traducirlo como Onda gravitacional ‘detectada’ el 17 de agosto de 2017. [return]
  3. Coalescencia. [return]
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