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Una explosión de rayos gamma revela una fusión de estrellas de neutrones

Una nueva huella digital de fusiones de estrellas de neutrones revela la producción de elementos pesados ​​​​en el universo.

Una explosión de rayos gamma revela una fusión de estrellas de neutrones (Doctor Fision)
La visión estándar de los estallidos de rayos gamma como una firma para diferentes tipos de estrellas moribundas podría necesitar una reescritura. Las observaciones astronómicas recientes, respaldadas por modelos teóricos, revelan una nueva huella digital observacional de fusiones de estrellas de neutrones, que puede arrojar luz sobre la producción de elementos pesados en todo el universo.
"Los astrónomos han creído durante mucho tiempo que los estallidos de rayos gamma se dividen en dos categorías: estallidos de larga duración de estrellas en implosión y estallidos de corta duración de objetos estelares compactos que se fusionan", dijo Chris Fryer, astrofísico y becario de laboratorio en el Laboratorio Nacional de Los Álamos. Fryer es coautor y líder del equipo de modelado de un artículo sobre el fenómeno publicado en Nature. "Pero en un evento observado recientemente, encontramos una kilonova junto con un estallido de rayos gamma de larga duración, y eso ha arrojado una llave en esta imagen simple".
Las hipernovas/supernovas son los objetos transitorios de luz visible producidos en estas explosiones a partir de la implosión de objetos, mientras que las kilonovas son transitorios de luz visible producidos por la fusión de objetos compactos donde al menos uno es una estrella de neutrones. Los estallidos de rayos gamma pueden acompañar a ambos tipos de transitorios. Las supernovas se producen cuando explota una estrella masiva; solo un pequeño subconjunto de supernovas surge del mecanismo de explosión que produce los estallidos de rayos gamma.
Los GRB de larga duración (más de dos segundos) generalmente se asocian con supernovas, mientras que los GRB de corta duración (menos de dos segundos) se asocian comúnmente con fusiones de estrellas de neutrones. Estas diversas formas de emisión electromagnética observable se conocen como transitorios. Las fusiones de estrellas de neutrones forman algunos de los elementos más pesados, los que están más allá del hierro en la tabla periódica.
Una explosión de rayos gamma revela una fusión de estrellas de neutrones

Una explosión de rayos gamma revela una fusión de estrellas de neutrones

El 11 de diciembre de 2021, varios observatorios y satélites registraron un estallido de rayos gamma muy brillante de 50 segundos y emisiones ópticas, infrarrojas y de rayos X asociadas con el estallido. Este estallido largo estuvo relativamente cerca, a unos mil millones de años luz de distancia en una galaxia diferente a la Vía Láctea, pero sus características de emisión no se ajustaban al perfil de los eventos de estallido largo. En cambio, la evidencia apuntaba a una fusión de objetos compactos en un evento híbrido teorizado pero previamente no observado que produce una kilonova pero emite un estallido de rayos gamma de larga duración.
"Nuestro equipo de modelado en Los Alamos comparó la observación con un conjunto de simulaciones de supernova y kilonova, y no pudimos hacer coincidir de manera convincente la señal con un modelo de supernova, mientras que varios modelos de kilonova ofrecen una buena coincidencia de los puntos de datos ópticos e infrarrojos". dijo Ryan Wollaeger, coautor del artículo y miembro del equipo de modelos de Los Alamos. "Sin embargo, todavía hay más modelos teóricos por hacer para comprender completamente este transitorio".
"Esta detección rompe nuestra idea estándar de los estallidos de rayos gamma", dijo Eve Chase, también coautora del artículo, “Ya no podemos suponer que todos los estallidos de corta duración provienen de fusiones de estrellas de neutrones, mientras que los estallidos de larga duración provienen de supernovas. Ahora nos damos cuenta de que los estallidos de rayos gamma son mucho más difíciles de clasificar, el rayo estalla hasta los límites".
La observación, denominada GRB211211A, proporciona la primera evidencia directa de un evento híbrido. Las observaciones de ondas gravitacionales confirmarían la naturaleza de GRB211211A, pero lamentablemente los detectores sensibles de ondas gravitacionales como LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser) no estaban funcionando en el momento de esta detección.
Aunque el estallido de larga duración desafía la comprensión aceptada de los modelos de fusión binaria compacta, una fusión explica todas las demás características observadas de GRB211211A.
Los GRB largos duran hasta un minuto y se pensaba que eran causados por supernovas, la explosión de una estrella masiva. Los GRB cortos duran menos de dos segundos y están asociados con kilonovas causadas por la fusión de dos cuerpos densos en el espacio exterior, como estrellas de neutrones y agujeros negros. Los investigadores recopilaron datos críticos sobre el entorno de la galaxia anfitriona de GRB 211211A, lo que indicó que esta explosión en particular ocurrió a solo mil millones de años luz de distancia, mucho más cerca de la Tierra que la mayoría de los otros GRB.
También observaron que el estallido ocurrió lejos del centro de su galaxia anfitriona y en un entorno de baja densidad, que no es típico de las supernovas. Tuvo en cuenta la distancia, el entorno y el brillo de la explosión y dedujo que el estallido fue causado por la colisión de dos estrellas de neutrones, un evento que anteriormente se creía que solo causaba GRB cortos. GRB 211211A es el primer GRB largo que se sabe que fue causado por la fusión de dos objetos compactos. Este es el primer GRB de su tipo que muestra la emisión de kilonovas, que son los elementos pesados característicos, como el oro y el platino, sintetizados durante la fusión. El descubrimiento de una kilonova proporcionó la prueba irrefutable de que GRB 211211A se produjo durante una fusión.
Referencias:
E. Troja et al. A nearby long gamma-ray burst from a merger of compact objects. Nature 2022. doi.org/10.1038/s41586-022-05327-3

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