Observatorio Gemini detecta fugaz explosión cósmica

July 14, 2020

Los telescopios de Gemini, en Chile y Estados Unidos, fueron capaces de capturar el resplandor de una breve explosión de rayos gama en cuestión de horas.

Observatorio Gemini detecta fugaz explosión cósmica

Gracias al rápido seguimiento del resplandor óptico posterior de una de las Breves Explosiones de Rayos Gamma (SRGB por sus siglas en inglés) más distante que se haya detectado, los astrónomos han puesto en duda las teorías sobre el origen de estos estallidos cósmicos. Las observaciones realizadas por el Observatorio Internacional Gemini, un programa de NOIRLab de NSF y Observatorio AURA, confirmaron la distancia de la explosión, situándola en una época cuando el Universo estaba en sus "años de adolescencia" y formaba estrellas rápidamente. Se cree que la explosión es el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones, pero la aparición de este evento en una época tan temprana del Universo podría alterar las teorías sobre su verdadero origen, especialmente, por el tiempo que tardan dos estrellas de neutrones en fusionarse para producir estas poderosas explosiones. Es muy extraño detectar SGRB con exactitud, ya que generalmente sólo se descubren entre 7 y 8 por año, y este es el SGRB más distante que se haya detectado con precisión.

Los investigadores utilizaron el telescopio de Gemini Norte de 8,1 metros para medir el resplandor óptico de una de las Breves Explosiones de Rayos Gamma (SGRB en inglés) más distantes jamás estudiadas. Los SGRB son eventos cataclísmicos cuyas propiedades básicas no se conocen a cabalidad, aunque se cree que las enormes cantidades de energía que emiten en apenas un segundo [1] son el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones.

Las observaciones de Gemini de este nuevo y distante SGRB, sugieren que este proceso podría ocurrir sorprendentemente rápido en algunos sistemas de estrellas binarias masivas que sobreviven a las explosiones de supernovas, para convertirse en estrellas de neutrones binarias, que luego de una danza cósmica en espiral de menos de mil millones de años, terminan fusionándose y produciendo un SGRB. La investigación se publicará en The Astrophysical Journal Letters.

El objeto, llamado GRB181123B porque fue el segundo estallido descubierto en 2018, específicamente el 23 de noviembre, fue inicialmente detectado por el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA, el que avisó a los observatorios de todo todo el mundo que una explosión inmensa estaba ocurriendo. De inmediato varios telescopios apuntaron al cielo para observar el evento, y en cuestión de horas un equipo de la Universidad de Northwestern, registró el resplandor de la explosión usando el instrumento Espectrógrafo Multi-Objeto de Gemini (GMOS por sus siglas en inglés), que está instalado en el telescopio de Gemini Norte en Mauna Kea, Hawaii.

“Tomamos ventaja de la capacidades de respuesta únicas y la exquisita sensibilidad de Gemini Norte y su cámara GMOS para obtener observaciones profundas del estallido apenas horas después de su descubrimiento”, señaló Kerry Paterson del Centro Interdisciplinario de Exploración e Investigación en Astrofísica (CIERA) de la Universidad de Northwestern, EEUU, quien lideró el equipo de investigación. “Las imágenes de Gemini eran muy nítidas, y nos permitió precisar la ubicación de una galaxia específica”, agregó.

“Este es un maravilloso ejemplo de astronomía de dominio del tiempo, involucrando seguimientos eficientes de un evento que está desarrollándose rápidamente”, comentó Hans Krimm de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF). “La rápida respuesta de Gemini fue esencial para detectar este evento en forma oportuna, y los datos obtenidos de las observaciones óptica e infrarroja agregan emoción a esta astronomía de mensajeros múltiples, donde las observaciones de luz, ondas gravitacionales, neutrinos y rayos cósmicos se unen para entregar una cautivante historia”, concluyó Krimm.

Además de las observaciones de Gemini, el equipo hizo observaciones de seguimiento usando el telescopio W. M. Keck en Hawaii y el telescopio Multi Espejo (MMT por sus siglas en inglés), ubicado en el Observatorio Fred Lawrence Whipple en Arizona. Los investigadores luego utilizaron la cámara infrarroja y espectrógrafo FLAMINGOS-2 de Gemini Sur, en Chile, para obtener el espectro de la galaxia anfitriona y determinar la distancia del Breve Explosión de Rayos Gama (SRGB por sus siglas en inglés). De este modo, se pudo establecer que el objeto está a 10 mil millones de años luz de distancia, convirtiéndolo en el segundo SGRB más distante que se haya confirmado y el más lejano que cuenta con una detección óptica precisa [2]. Comparado con las detecciones de ondas gravitaciones de estrellas de neutrones que se están fusionando en el universo cercano, los SGRB’s tienen distancias similares.

“La ventaja de contar con dos telescopios gemelos en los dos hemisferios, y uno de ellos en Chile, permite que este tipo de investigaciones obtengan datos contundentes en una escala de tiempo mínima. Mientras Gemini Norte, registraba el resplandor de la explosión del SRGB, la instrumentación instalada en Gemini Sur, permitió entregar datos cruciales que los investigadores utilizaron para determinar su distancia”, comentó el Director del Observatorio AURA en Chile, Dr. Mario Hamuy.

Por su parte, Kerry Paterson explicó que "la identificación de ciertos patrones en el espectro, junto con los colores de la galaxia de los tres observatorios, nos permitió reducir con precisión la distancia y consolidarla como uno de los SGRB más distantes hasta la fecha en 16 años de operaciones de Swift".

El rápido seguimiento de la explosión realizado por Swift fue esencial, ya que muchos SGRBs no pueden ser observados a tiempo para capturar la luz óptica del resplandor del estallido. La luz de este resplandor que llega a la Tierra se desvanece en poco tiempo, y además puede tomarle bastante tiempo a un telescopio enorme y lo suficientemente sensitivo interrumpir su plan normal de observación, para moverse rápidamente a un nuevo objeto y comenzar a observarlo.

Una vez que Gemini logró la detección óptica del SGRB y precisar la galaxia anfitriona donde se produjo, el equipo de investigadores pudo determinar propiedades claves de la población estelar principal en la galaxia donde ocurrió el SGRB.

“Al realizar estas especies de “análisis forenses” para comprender el entorno de los SGRB y el aspecto de sus galaxias locales, puede ayudarnos a comprender cómo se forman los progenitores de SGRB y cuánto tiempo tardan en fusionarse”, precisó Wen-fai Fong de la Universidad Northwestern y coautor del estudio. “Por cierto, no esperábamos descubrir un SGRB extremadamente distante, ya que son muy raros y débiles, ¡pero nos sorprendió gratamente! Esto nos motiva a perseguir a todos los que podamos”, agregó.

La mayoría de los 43 SGRB de alta confianza utilizados en el estudio cuya distancia se conoce, han sido encontrados cerca de la Tierra. Los SGRB distantes ofrecen una forma única para estudiar los mismos tipos de eventos cuando el Universo era más joven —en un período de rápida formación de estrellas y con las galaxias creciendo aceleradamente [3]. La adición de otro SGRB distante a este grupo podría cambiar la comprensión que los astrónomos tienen de estos eventos, particularmente, cuánto demoran dos estrellas de neutrones en fusionarse, así como también la tasa de fusión de estrellas de neutrones en esta época de la historia del Universo: “Hallar un SGRB tan temprano en la historia del Universo sugiere que al menos algunos pares de estrellas de neutrones podrían necesitar unirse relativamente rápido”, sugirió Fong.

“Con los recursos telescópicos adecuados y junto con instalaciones de seguimiento dedicadas, como el Observatorio Gemini, podemos abrir una nueva era de descubrimiento de SGRB distantes, motivando más estudios de seguimiento de eventos pasados y un seguimiento igualmente intenso de otros en el futuro", precisó Paterson.

Más Información

Esta investigación fue presentada en un artículo científico en el Astrophysical Journal Letters.

El equipo científico está compuesto por K. Paterson (Northwestern University), W. Fong (Northwestern University), A. Nugent (Northwestern University), A. Rouco Escorial (Northwestern University), J. Leja (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian), T. Laskar (University of Bath), R. Chornock (Ohio University), A. A. Miller (Northwestern University and The Adler Planetarium), J. Scharwächter (Gemini Observatory/NSF’s NOIRLab), S. B. Cenko (NASA Goddard Space Flight Center and University of Maryland), D. Perley (Liverpool John Moores University), N. R. Tanvir (University of Leicester), A. Levan (Radboud University and University of Warwick), A. Cucchiara (College of Marin and the University of the Virgin Islands), B. E. Cobb (The George Washington University), K. De (California Institute of Technology), E. Berger (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian), G. Terreran (Northwestern University), K. D. Alexander (Northwestern University), M. Nicholl (University of Birmingham and University of Edinburgh), P. K. Blanchard (Northwestern University), and D. Cornish (Northwestern University).

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (en cooperación con SLAC National Accelerator Laboratory del DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.