Desde Chile descifran inesperados secretos en las explosiones de Kilonova

December 7, 2022

Astrónomos descubren evidencia de una colisión de estrellas de neutrones entre los vestigios de una explosión de rayos gamma

Mientras estudiaban los vestigios de una explosión de rayos gamma (GRB por sus siglas en inglés) que fue detectada en 2021, dos equipos de astrónomos hallaron señales sorprendentes de una fusión de estrellas de neutrón, en vez de la esperada huella de una supernova. Las observaciones realizadas desde telescopios terrestres y espaciales, que incluyeron al telescopio de Gemini Sur en Chile y Gemini Norte en Hawai‘i, desafían la teoría prevaleciente que predice que las GRB de este tipo provienen exclusivamente de una supernova, es decir de la explosión final que acaba con la vida de las estrellas masivas.

Las explosiones de rayos gamma (GRBs) —los estallidos más energéticos en el universo— se clasifican en dos tipos: largos y cortos. Las GRB largas, que tienen una duración que va de un par de segundos hasta un minuto, se producen cuando una estrella con al menos 10 veces la masa de nuestro Sol explota como una supernova. Las GRBs cortas, que duran menos de dos segundos, ocurren cuando dos objetos compactos, como dos estrellas de neutrón o una estrella de neutrones y un agujero negro, colisionan y producen lo que se conoce como una kilonova. 

Mientras observaban los restos de una GRB larga detectada en 2021, dos equipos independientes de astrónomos encontraron sorpresivos signos de una fusión de estrellas de neutrones en vez de las esperadas señales de una supernova. Este sorprendente resultado marca la primera vez que una kilonova ha sido asociada con una GRB larga y desafía nuestra comprensión de estas fenomenalmente poderosas explosiones.

El primer equipo en anunciar este descubrimiento fue liderado por Jillian Rastinejad, una estudiante de doctorado de la Universidad Northwestern. Rastinejad y sus colegas realizaron este sorprendente descubrimiento con la ayuda del telescopio Gemini Norte, parte del Observatorio Internacional Gemini, operado por NOIRLab de NSF y AURA. Las observaciones de Gemini Norte revelaron un resplandor residual en luz de infrarrojo cercano justo en el lugar de la GRB, proporcionando la primera evidencia contundente de una kilonova asociada con este evento [1]. El equipo de Rastinejad reportó inmediatamente la detección en la Gamma-ray Coordinates Network (GCN) Circular. 

Los astrónomos alrededor del mundo recibieron la primera alerta de esta explosión, llamada GRB 211211A, cuando un poderoso flash de rayos gamma fue detectado por el Observatorio Neil Gehrels Swift y el Telescopio Espacial Fermi Gamma-ray, ambos de NASA. Observaciones iniciales revelaron que la GRB estaba inusualmente cerca, a unos mil millones de años luz de la Tierra. 

La mayoría de las GRBs se producen en el universo temprano y generalmente son tan antiguas y distantes que su luz debe viajar más de 6 mil millones de años para alcanzar la Tierra. La luz de las GRB más distantes registradas, viajaron cerca de 13 mil millones de años antes de ser detectadas aquí en la Tierra [2]. La relativa proximidad de esta nueva GRB permite a los astrónomos realizar seguimientos con una importante variedad de telescopios basados en tierra y en el espacio.

Rastinejad explicó que “los astrónomos usualmente investigan las GRBs cortas cuando están cazando kilonovas. Esta explosión de mayor duración llamó nuestra atención porque estaba tan cerca que nos permitía estudiarla en detalle. Sus rayos gamma también se parecían a los de una GRB larga anterior, misteriosa y sin supernova”.

Una de las características observacionales particulares de una kilonova es su brillo en longitudes de onda de luz infrarroja comparada a su brillo en luz visible. Esta diferencia de brillo se debe a los elementos pesados que son eyectados por la kilonova, los que bloquean la luz visible, pero permiten a las más largas longitudes de onda de luz infrarroja pasar sin obstáculos. Sin embargo, observar en luz de infrarrojo cercano es técnicamente un desafío mayúsculo y apenas un puñado de telescopios en Tierra, como los telescopios Gemini, son lo suficientemente poderosos para detectar esta kilonova en esas longitudes de onda.

“Gracias a su sensibilidad y a su capacidad de respuesta rápida, Gemini fue el primero en detectar esta kilonova en infrarrojo cercano, y nos convenció que estábamos observando una fusión de estrellas de neutrones”, indicó Rastinejad. “Las capacidades de Gemini y su variedad de instrumentación nos permiten adaptar el plan de observación de cada noche basado en los resultados de la noche previa, permitiéndonos aprovechar al máximo cada minuto en el cual nuestro objeto fue posible de observar”.

Otro equipo, liderado por la astrónoma de la Universidad de Roma Tor Vergata, Eleonora Troja, estudió de forma separada el resplandor utilizando una serie distinta de observaciones, que incluían al telescopio de Gemini Sur en Chile [3] y concluyó independientemente que la GRB larga provenía de una kilonova.

“Fuimos capaces de observar este evento sólo porque estuvo muy cercano a nosotros” precisó Troja. “La posibilidad de observar este tipo de poderosas explosiones en nuestro patio cósmico es muy rara, y cada vez que lo hacemos aprendemos sobre los objetos más extremos del universo”.

El hecho de que dos equipos diferentes de científicos trabajando con conjuntos de datos independientes llegaron a la misma conclusión con respecto a la naturaleza de kilonova de esta GRB, respalda fuertemente esta interpretación.

“La interpretación de la kilonova estaba tan lejos de lo que sabíamos sobre las GRB largas que no podíamos creer lo que veíamos y pasamos meses probando todas las demás posibilidades”, indicó Troja. “Sólo después de descartar todo lo demás nos percatamos que nuestro paradigma de una década tenía que ser revisado”.

Además de contribuir a nuestra comprensión de las kilonovas y las GRBs, este descubrimiento provee a los astrónomos una nueva forma de estudiar la formación de oro y otros elementos pesados en el universo. Las condiciones físicas extremas en las kilonovas producen elementos pesados como el oro, el platino y torio. Ahora los astrónomos pueden identificar los sitios que están creando elementos pesados mediante la búsqueda de las huellas de una kilonova seguida por una explosión de larga duración de rayos gamma.

“Este descubrimiento es un claro recordatorio de que el universo nunca se explica por completo”, precisó Rastinejad. “A menudo los astrónomos dan por sentado que el origen de las GRB pueden ser identificadas por su duración, pero este descubrimiento nos demuestra que aún hay mucho más por comprender sobre estos sorprendentes eventos”.

Por su parte, el Director de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de Estados Unidos, Sethuraman Panchanathan, expresó que “NSF felicita a los equipos científicos por este nuevo y apasionante descubrimiento, que abre una nueva ventana en la evolución cósmica. El Observatorio Internacional Gemini continúa brindando recursos veloces y poderosos disponibles a toda la comunidad científica mediante la innovación y la asociación”. 

El Observatorio Internacional Gemini  es operado por una asociación de seis países que incluye a los Estados Unidos, a través de la Fundación Nacional de Ciencias; Canadá, mediante el Consejo Nacional de Investigación de Canadá; Chile, a través de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo; Brasil, con el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovaciones; Argentina, mediante el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación; y Corea, a través del Instituto de Astronomía y Ciencia Espacial de Corea. Estos participantes y la Universidad de Hawai‘i, que tiene acceso regular a Gemini, mantiene cada uno una Oficina Nacional de Gemini para apoyar a sus usuarios locales.

Más Información

[1] Rastinejad y sus colegas realizaron observaciones iniciales de seguimiento del estallido utilizando el Nordic Optical Telescope. Después de las cruciales observaciones con Gemini Norte, continuaron las observaciones de los restos de la kilonova con el Karl G. Jansky Very Large Array, el Calar Alto Observatory, y el MMT Observatory, y obtuvieron observaciones posteriores con el Large Binocular Telescope, el W.M. Keck Observatory, el Gran Telescopio Canarias, y el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA.

[2] La luz que viajó cerca de 13 mil millones de años para alcanzar la Tierra tendría un corrimiento al rojo (z) de aproximadamente 7. A causa de la expansión acelerada del Universo, eso equivaldría aproximadamente a una distancia de 24.500 millones de años luz en la actualidad. Cuando hablamos acerca de estas grandes distancias, con corrimientos al rojo mayores a 1, y sobre objetos cósmicamente distantes, es más preciso indicar cuántos miles de millones de años ha viajado la luz, en vez de hablar de una distancia en años luz. 

[3] Troja y sus colegas observaron inicialmente el resplandor de este evento con el Devasthal Optical Telescope, los Telescopios de Imagen Multicolor para Exploración y Explosiones Monstruosas, y el Observatorio de Calar Alto. Las observaciones de la galaxia anfitriona las obtuvieron con el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA.

Rastinejad, J., Gompertz, B., Levan, A., & Fong, W., et al. (2022). “A kilonova following a long-duration gamma-ray burst at 350 Mpc.” Publicado en la revista Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05390-w

Troja, E., Fryer, C.L., O’Connor, B., & Ryan, G., et al. (2022). “A nearby long gamma-ray burst from a 

merger of compact objects.” Publicado en la revista Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05327-3

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 de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (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‘i, 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‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

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