Desde Chile descifran inesperados secretos en las explosiones de Kilonova

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

La impresión de este artista muestra una kilonova producida por dos estrellas de neutrones en colisión. Mientras estudiaban las consecuencias de un estallido largo de rayos gamma (GRB), dos equipos independientes de astrónomos que utilizan una gran cantidad de telescopios en el espacio y en la Tierra, incluido el telescopio Gemini Norte en Hawai’i y el telescopio Gemini Sur en Chile, han descubierto las características inesperadas de una kilonova, la colosal explosión provocada por la colisión de estrellas de neutrones.

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. 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. 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 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”.

Esta imagen de Gemini North, superpuesta a una imagen tomada con el Telescopio Espacial Hubble, muestra el revelador resplandor del infrarrojo cercano de una kilonova producida por un GRB largo (GRB 211211A). Este descubrimiento desafía la teoría prevaleciente de que los GRB largos provienen exclusivamente de supernovas, las explosiones al final de su vida útil de estrellas masivas.

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”.