Descubrimiento de Elementos Pesados Raros en la Fundición Cósmica

October 16, 2017

Telescopios identifican el brillo óptico de una fusión de estrella binaria de neutrones detectada por su emisión de ondas gravitacionales

Se cree que los elementos preciosos en nuestro planeta, el oro y el platino, se forjaron en antiguos cataclismos ardientes, cuando parejas de estrellas de neutrones se unieron en espiral y se fusionaron en agujeros negros. Un evento similar, la fusión de una estrella binaria de neutrones, fue detectada recientemente en ondas gravitacionales por dos observatorios de onda gravitacional (LIGO Avanzado y Virgo) y en longitudes de onda ópticas infrarrojas por los telescopios Blanco, SOAR y SMARTS 1.3m en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO) y en el telescopio Gemini-Sur en Cerro Pachón. La emisión óptica detectada, la primera contraparte óptica de un evento de onda gravitacional, confirma que las fusiones de estrellas binarias de neutrones son, de hecho, los principales sitios de producción cósmica de elementos pesados raros.

Las Fusiones de Estrella Binaria de Neutrones Emiten Ondas Gravitacionales y Luz

La fusión de estrellas binarias de neutrones son eventos exóticos de los cuales se predice que generan tanto ondas gravitacionales - ondas en el espacio-tiempo predichas por primera vez por Einstein - como una emisión brillante a longitudes de ondas ópticas e infrarrojas. Las ondas gravitacionales emitidas por las estrellas de neutrones en órbita cercana se llevan/ radian la energía, lo que hace que las orbitas de las estrellas decaigan, se unan en espiral y se fundan en un agujero negro.

A medida que las estrellas se fusionan, experimentan grandes mareas gravitacionales. La materia rica en neutrones, caliente y densa expulsada en la fusión, forma elementos inestables que se descomponen radiactivamente en elementos estables, enriqueciendo así el cosmos con elementos pesados raros como el oro, la plata y el platino. La energía liberada potencia la emisión a longitudes de onda óptica e infrarroja (una "contraparte óptica") que es extremadamente brillante, aunque mucho más débil que una supernova, es hasta mil veces más brillante que una nova, de ahí el nombre de esta emisión, una "kilonova".

Aunque se anticipaba ampliamente como una fuente cósmica de elementos pesados raros y de ondas gravitacionales, hasta ahora no se había detectado con seguridad ninguna fusión binaria de estrellas de neutrones.

Identificando el Resplandor Óptico del Evento de Onda Gravitacional del 17 de agosto de 2017

El 17 de agosto de 2017, los observatorios LIGO Avanzado y Virgo detectaron, en la dirección de la constelación de Hydra, un evento de onda gravitacional con la señal de una fusión binaria de estrellas de neutrones, GW170817. Dos equipos de astrónomos, uno liderado por Edo Berger (Centro Harvard-Smithsonian para la Astrofísica), en asociación con la Colaboración del Estudio de la Energía Oscura (DES) y otro dirigido por Mansi Kasliwal (Caltech), entraron en acción para buscar la contraparte óptica.

Debido a que la incertidumbre posicional del evento LIGO fue grande (más de 70 grados cuadrados o más de 350 veces el área de la luna llena), el equipo de Berger desplegó en primera instancia la Cámara de Energía Oscura (DECam), una cámara de campo amplio en el

Telescopio Blanco 4m en CTIO. Con la DECam capaz de escanear 3 grados cuadrados del cielo a la vez, el equipo pudo examinar rápidamente una región de 70 grados cuadrados y detectar, con alta confianza, la contraparte óptica del evento de onda gravitacional: una nueva fuente brillante asociada con NGC 4993, una galaxia elíptica a 130 millones de años luz de distancia.

Las imágenes tomadas consecutivamente con DECam y la espectroscopía con el telescopio SOAR, también ubicado en CTIO, durante las siguientes 10 noches revelaron que la emisión óptica detectada concuerda con el brillo esperado y la evolución del color de una estrella binaria de neutrones fusionado, una "kilonova".

Los datos muestran que 0,6 días después de la fusión, la emisión óptica fue producida por gas caliente con una temperatura de aproximadamente 8000 K, un tamaño aproximado al de la órbita de Neptuno, y una luminosidad de 100 millones de veces el Sol, que se expandió en aproximadamente un tercio de la velocidad de la luz. La emisión se volvió más roja y más débil con el tiempo, declinando después de 10 días, a una luminosidad de solo 1 millón de veces el Sol.

El Director del Observatorio de SOAR, Jay Elias, que coordinó el esfuerzo de seguimiento de SOAR, comentó que "cuando comenzamos el seguimiento, nos preocupaba que la luz que estábamos viendo pudiera provenir de una supernova no relacionada al evento de ondas gravitacionales pero en la misma región del cielo, en lugar de la contraparte óptica. Esa explicación se hizo más improbable a medida que avanzaban las observaciones".

Bethany Cobb (Universidad George Washington), miembro del equipo de Kasliwal, usó Andicam en el telescopio SMARTS 1.3m en CTIO para seguir el brillo infrarrojo de la fuente durante 10 noches. Cobb estaba asombrado de que "¡la emisión fuera tan brillante! ¡Fue emocionante! "

Tanto el equipo de Kasliwal como el equipo de Berger utilizaron también el telescopio Gemini- Sur de 8m para seguir la evolución del espectro infrarrojo de la fuente. Utilizando los espectros de SOAR y Gemini, los equipos estudiaron en detalle la composición del material expulsado en la fusión.

Un Santo Grial de la Astronomía

"La detección conjunta de las ondas de luz y gravitacionales de fuentes cósmicas es uno de los santos griales de la astronomía actual", exclamó Marcelle Soares-Santos (Fermi National Accelerator Laboratory), primer autor del trabajo del equipo de Berger que reporta su descubrimiento de la contraparte óptica. Ambas señales, la luz y las ondas gravitacionales, aportan información única sobre eventos astrofísicos extremos. Como explica Soares-Santos: "Las ondas gravitacionales nos hablan sobre los movimientos y masas de las estrellas de neutrones, y la luz revela la astrofísica del acontecimiento - lo que sucedió exactamente cuando las estrellas se fusionaron, la masa de los elementos pesados producidos".

Los resultados obtenidos por los dos equipos ayudan a establecer a GW170817 como la primera detección segura de una fusión binaria de neutrones. Las observaciones anteriores de kilonovas carecían de la evidencia definitiva de la constancia de una onda gravitacional. "Las grandes demandas requieren gran evidencia", dice Kasliwal, "y la evidencia de GW170817 es innegable".

Los resultados también establecen que las fusiones de estrellas binarias de neutrones son importantes sitios de producción cósmica de elementos pesados raros. Los resultados del equipo Berger se publican en las Astrophysical Journal Letters y los resultados del equipo de Kasliwal en Science.

"Una nueva era de la astronomía"

GW170817 es también, en términos generales, el primer evento de onda gravitacional con una contraparte óptica. Las cuatro detecciones de ondas gravitacionales anteriores fueron de agujeros negros binarios fusionándose, lo que no generó una contraparte óptica observable. Los astrónomos están encantados de entrar en la acción. "¡Es el amanecer de un nuevo campo de la astronomía!" Proclamó Berger.

El descubrimiento augura un futuro brillante para las cámaras de campo amplio e instalaciones optimizadas para el estudio de eventos variables en el tiempo. Según Berger, este descubrimiento "demuestra el poder y la importancia de DECam para el seguimiento óptico de las fuentes de ondas gravitacionales". Mirando hacia adelante, hacia las futuras observaciones de LIGO y Virgo, Berger anticipa que "con su alta sensibilidad y capacidad de estudio de grandes áreas de cielo, DECam desempeñará un papel casi único en la identificación de eventos futuros de ondas gravitacionales".

El descubrimiento también destaca importantes preguntas sin respuesta y oportunidades futuras. "La gran cuestión pendiente es si este evento es típico de todas las fusiones de estrellas binarias de neutrones", dice Matt Nicholl (Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica), el principal autor del artículo que informa sobre los resultados de SOAR. A medida que LIGO y Virgo detecten más fuentes, lo averiguaremos. "Descubriremos la diversidad de las fusiones de estrellas de neutrones, la frecuencia con la que se producen y, por tanto, cuánto de todos los elementos pesados del Universo provienen de fusiones de estrellas binarias de neutrones".

Más Información

La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) apoya LIGO, así como las organizaciones involucradas en la localización y el estudio de la contraparte óptica de GW170817, incluyendo el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO) y el Observatorio Gemini.

El Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO) forma parte del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica (NOAO), que es operado por la Asociación de Universidades para la Investigación Astronómica (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

El telescopio de Investigación Astrofísica del Sur (SOAR), es un proyecto conjunto del Ministerio de la Ciencia, Tecnología de Innovaciones y Comunicaciones del Brasil (MCTIC/LNA), Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill (UNC), Michigan State University (MSU) y NOAO.

Gemini Sur es parte del Observatorio Gemini, que es operado por AURA, en virtud de un acuerdo de cooperación con la NSF en nombre de la asociación Gemini: la Fundación Nacional de Ciencias (NSF-Estados Unidos), el Consejo Nacional de Investigación (Canadá), CONICYT (Chile) , Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva (Argentina) y Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Brasil). 

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