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Una kilonova sorpresa altera la comprensión establecida de los destellos largos de rayos gamma

Los destellos de rayos gamma (GRB en sus siglas en inglés) son brotes de rayos gamma asociados con explosiones extremadamente energéticas en galaxias distantes. Son los sucesos electromagnéticos más luminosos que ocurren en el universo.

Los brotes de rayos gamma fueron observados por primera vez a finales de la década de los sesenta por los satélites estadounidenses Vela. Estos satélites fueron construidos por los Estados Unidos para detectar la radiación gamma emitida por armas nucleares explotadas en el espacio y así asegurar el cumplimiento por parte de la Unión Soviética del Tratado de prohibición parcial de ensayos nucleares de 1963.

En un principio no lograron explicar el asunto y satélites Vela posteriores también captaron estos estallidos de radiación. Pero por triangulación de varios de estos satélites se descartó su origen terrestre.

Hay dos tipos principales de destellos de rayos gamma: los cortos, que duran menos de 2 segundos y que generalmente ocurren cuando dos estrellas de neutrones chocan y colapsan en un agujero negro; y los GRB largos, que pueden durar minutos y que se cree que están asociados con las explosiones de supernovas.

Ahora, uno de estos destellos, el GRB 211211A, visto en 2021, no encaja en esta clasificación. Varios equipos de astrofísicos ha descubierto nuevas pruebas de que al menos algunos GRB largos pueden resultar de fusiones de estrellas de neutrones, que anteriormente se creía que producían solo GRB cortos.

Este GRB tuvo una duración de 50 segundos, por lo que fue clasificado como GRB largo. Así que el equipo de Northwestern University comenzó a buscar el resplandor luminoso habitual en estos casos con telescopios ópticos en tierra firme, resplandor asociado con una supernova que se va desvaneciendo en el tiempo con un perfil concreto.

Pero, en cambio, descubrieron pruebas de una kilonova, un suceso raro que solo ocurre después de la fusión de una estrella de neutrones con otro objeto compacto, ya sea otra estrella de neutrones o un agujero negro.

Además de desafiar las creencias establecidas desde hace mucho tiempo sobre durante cuánto tiempo se emiten los GRB cortos, el nuevo descubrimiento también conduce a nuevos conocimientos sobre la misteriosa formación de los elementos más pesados del Universo, pues parte de ellos se forman durante el fenómeno de la kilonova.

«Este suceso se parece a cualquier otro que hayamos visto antes de un destello largo de rayos gamma. Sus rayos gamma se asemejan a los de los destellos producidos por el colapso de estrellas masivas. Dado que todas las demás fusiones de estrellas de neutrones confirmadas que hemos observado han ido acompañadas de destellos que duran menos de dos segundos, teníamos todas las razones para esperar que este GRB de 50 segundos fuera creado por el colapso de una estrella masiva. Este suceso representa un emocionante cambio de paradigma en la astronomía de explosiones de rayos gamma», dice Jillian Ratinejad (Northwestern University).

«Cuando seguimos este largo destello de rayos gamma, esperábamos que condujera al indicio de que se trataba de un colapso estelar masivo. En cambio, lo que encontramos fue muy diferente. Cuando me metí en este campo hace 15 años, estaba establecido que los destellos largos de rayos gamma provienen del colapso de estrellas masivas. Este hallazgo inesperado no solo representa un cambio importante en nuestra comprensión, sino que, apasionadamente, también abre una nueva ventana en este tipo de descubrimientos», dice Wen-fai Fong (Northwestern University).

En diciembre de 2021, el Telescopio de alerta de ráfagas del Observatorio Neil Gehrels Swift y el Telescopio espacial de rayos gamma Fermi detectaron un destello brillante de luz de rayos gamma al que se denominó GRB211211A.

Inicialmente, con poco más de 50 segundos de duración, GRB211211A no parecía ser nada especial. Pero ubicado a unos 1100 millones de años luz de distancia, está relativamente cerca de la Tierra y los astrofísicos decidieron estudiar este suceso cercano en detalle. Así que utilizaron una multitud de telescopios que podían observar a través del espectro electromagnético.

Para obtener imágenes del suceso con longitudes de onda del infrarrojo cercano, el equipo de Northwestern University rápidamente inició la obtención de imágenes con el Observatorio Gemini en Hawái. Después de dos días de observación con Géminis, a Ratinejad le preocupaba no poder obtener una visión clara porque el tiempo se estaba empeorando en Hawái. Afortunadamente, consiguieron acceso al Observatorio MMT en Arizona y al día siguiente se colocó un instrumento ideal en ese telescopio. Pese a que también estaba nublado, los operarios encontraron un hueco entre las nubes para tomar las imágenes.

Después de examinar las imágenes del infrarrojo cercano, el equipo detectó un objeto increíblemente débil que se desvaneció rápidamente. Las supernovas no se desvanecen tan rápido y son mucho más brillantes, por lo que el equipo se dio cuenta de que encontró algo inesperado que antes se creía imposible.

La imagen de esta fuente a través de diferentes filtros para obtener información espectral ayudó a determinar la identidad de la fuente. El predomino en el tiempo del color rojo sobre los azules era una prueba de que se trataba de una kilonova, algo que solo pueden provenir de la fusión de estrellas de neutrones.

Los especialistas del campo creían anteriormente que las estrellas de neutrones no contenían suficiente material para alimentar un GRB de larga duración debido a que las estrellas de neutrones son objetos limpios y compactos. Las estrellas masivas, por otro lado, pueden tener de decenas a cientos de veces la masa del Sol. A medida que la estrella moribunda colapsa, su material cae hacia adentro para alimentar un agujero negro recién formado. Pero, gracias a los campos magnéticos del agujero negro, parte del material que cae hacia adentro se lanza hacia afuera a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, lo que genera un GRB.

Cuando se tienen dos estrellas de neutrones juntas, no hay mucha masa allí. Solamente un poco de masa se acumula fuera y esta masa solo puede alimentar un GRB de corta duración. Al menos eso es lo que se creía.

El suceso no fue la única parte extraña del estudio. La galaxia anfitriona del GRB también es bastante curiosa, pues es relativamente ligera, joven y en ella todavía se están formando estrellas. Es casi exactamente lo opuesto al único caso de kilonova conocido: GW170817, cuya galaxia anfitriona es masiva, roja y en la que casi no se forman nuevas estrellas. Como todos recordarán, GW170817 fue una detección de ondas gravitacionales que condujo al descubrimiento de la primera kilonova.

El descubrimiento cambia la forma en la que los astrofísicos pueden abordar la búsqueda de elementos pesados, como el platino y el oro. Aunque los investigadores han podido estudiar las fábricas astronómicas que producen elementos más ligeros (las estrellas de baja masa), los astrofísicos postulan que las explosiones de supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones producen los elementos más pesados. Sin embargo, rara vez se observan pruebas claras de su creación.

Lo interesante es que ahora se pueden usar los GRB largos para buscar kilonovas, pues estos fenómenos son difíciles de encontrar y se desvanecen muy rápidamente.

Como el Telescopio Espacial James Webb (JWST) está ya funcionando, los astrofísicos podrán buscar más pistas dentro de las kilonovas con él. Debido a que el JWST es capaz de capturar imágenes y espectros de objetos astronómicos, podría detectar elementos específicos emitidos durante el fenómeno de kilonova y así tener observaciones directas de la formación de elementos pesados. Es decir, según transcurriera el tiempo se vería en los espectros la aparición de líneas correspondientes a elementos pesados que no estaban antes. Esto es algo que, de momento, no se puede hacer con telescopios en tierra firme.

El fenómeno, de todos modos, no es fácil de explicar. Dos segundos es lo que tarda en formarse un agujero negro en una fusión de estrella de neutrones y devorar todo lo que hay en su entorno, por lo que es muy extraño que este GRB haya durado casi un minuto entero.

Podría ser que la fusión hubiera dejado atrás una enorme estrella de neutrones que girara rápidamente llamada magnetar y que esta sería la que hubiera impulsado la emisión de rayos gamma después de la colisión inicial, tal y como sugiere uno de los equipos que ha estudiado el caso. Aunque los otros equipos concluyen que la fusión probablemente dejó tras de sí un agujero negro.

Faltan piezas de este rompecabezas que ni siquiera los astrofísicos sabían que faltaban. Quizás tenga que ver con el comportamiento del propio agujero negro, pero todavía se desconoce.

Anteriormente se habían observado otros GRB «excéntricos» que no se observaron tan a fondo, puede que este nuevo caso ayude a entenderlos y a espolear el estudio de nuevos GRB y al descubrimiento de nuevas kilonovas.

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Fuentes y referencias:
Artículo original 1.
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Artículo original 3.
Artículo original 4.
Artículo original 5.
Foto: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani; NASA/ESA.