Explosiones extralargas desafían nuestras teorías sobre los cataclismos cósmicos | Revista Quanta

El 11 de diciembre de 2021, un haz de rayos gamma, la forma de luz más energética, se estrelló contra el satélite Swift de la NASA. En 120 segundos, el satélite giró hacia la explosión y detectó las brasas brillantes de una catástrofe cósmica. Diez minutos después, se enviaron alertas a los astrónomos de todo el mundo.

Entre ellos estaba jillian rastinejad, estudiante de posgrado de la Universidad Northwestern. Para Rastinejad y sus colaboradores, este estallido de rayos gamma parecía extrañamente similar a un estallido inusual de 2006. Rastinejad llamó al Observatorio Gemini en Hawai'i y reclutó investigadores allí para observar profundamente el trozo de cielo de donde había venido el estallido. Unos días más tarde, cuando aparecieron las nubes, un investigador del Observatorio MMT en Arizona tomó el relevo, haciendo todo lo posible para mantener el telescopio enfocado en el punto de luz que se desvanecía a mil millones de años luz de distancia.

No fue poca cosa, dado que el tiempo también estaba cambiando allí, dijo Rastinejad. “Ella nos encontraba un agujero en las nubes alrededor de las 4 am todos los días”.

Cuando la cadena de observaciones concluyó aproximadamente una semana después, Rastinejad y sus colegas tenían una idea bastante clara de qué había disparado esos rayos gamma a través del universo. Mientras observaban, las consecuencias de la explosión se habían vuelto cada vez más rojas, una señal inequívoca de que en los escombros se estaban forjando átomos pesados ​​como el oro y el platino. La principal fuente de tal alquimia cósmica son las colisiones que involucran estrellas de neutrones, los núcleos inimaginablemente densos de soles muertos.

El único problema era que semejante conclusión parecía imposible. Los astrofísicos sospechan que cuando las estrellas de neutrones se fusionan, todo termina en una fracción de segundo. Pero Swift había registrado un bombardeo de rayos gamma que duró 51 segundos relativamente interminables, normalmente la firma de un tipo muy diferente de drama cósmico.

Desde entonces, los astrónomos han identificado más eventos como este. El más reciente ocurrió en marzo, cuando el segundo estallido de rayos gamma más brillante jamás detectado duró 35 segundos. Una vez más, los astrónomos observaron las consecuencias rojizas de la colisión de una estrella de neutrones. También reclutaron el telescopio espacial James Webb. para estudiar el extraño estallido y detectó signos del elemento pesado telurio en el polvo que se asentaba.

En conjunto, la serie de observaciones aporta un nuevo misterio a un área de la astronomía que la mayoría de los investigadores habían considerado resuelta: ¿Qué causa que estos eventos supuestamente rápidos y violentos emitan rayos gamma durante tanto tiempo? Es un enigma que los astrofísicos tendrán que resolver si quieren lograr el objetivo más ambicioso de comprender los orígenes de todos los diferentes elementos del universo, muchos de los cuales nacen de estos estallidos violentos.

"Me emocionó mucho ver esto", dijo daniel kasen, astrofísico de la Universidad de California, Berkeley, especializado en explosiones cósmicas. "Ha planteado un verdadero enigma".

Guerra Fría, explosiones brillantes

Hoy en día, Swift capta una explosión de rayos gamma cada pocos días. Pero las explosiones fueron desconocidas hasta el apogeo de la Guerra Fría, cuando aparecieron de la nada. En la década de 1960, la Fuerza Aérea de Estados Unidos lanzó los satélites Vela para asegurarse de que la Unión Soviética cumpliera con la prohibición de realizar pruebas de armas nucleares. Si los soviéticos detonaran una bomba nuclear en el espacio, el destello resultante de rayos gamma (ondas energéticas de luz tan cortas como el núcleo de un átomo) sería imposible de ocultar.

Los satélites no detectaron ninguna violación soviética. Pero entre 1969 y 1972, sí retomaron 16 destellos misteriosos de rayos gamma que los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos determinaron que eran de "origen cósmico".

En las décadas siguientes, la NASA retomó la investigación. La agencia espacial lanzó un satélite dedicado a la búsqueda de ráfagas en 1991 y durante los nueve años siguientes, detectó casi 3,000 estallidos de rayos gamma. Los acontecimientos se produjeron en dos variedades: cortos y largos. La mayoría de las ráfagas cortas duraron menos de un segundo, mientras que muchas ráfagas largas duraron un minuto o más (la línea divisoria entre los dos sabores es de alrededor de dos segundos).

Lo que fuera que estuviera causando estos estallidos parecía catastrófico; en menos de la mitad de la duración de una canción pop, emitieron aproximadamente tanta energía como la que produce nuestro sol durante miles de millones de años. ¿Qué podría brillar tan intensamente? Al principio los astrofísicos no estaban seguros, pero las tremendas energías implicadas apuntaban a cataclismos que acabarían con el mundo. Y las dos duraciones insinuaban dos tipos de catástrofes, una más rápida que duraba alrededor de un segundo y otra (algo) más lenta que se desarrollaba a lo largo de un minuto.

Los astrónomos fueron los primeros en encontrar el origen de las explosiones más lentas. A finales de la década de 1990, cuando los investigadores mejoraron a la hora de identificar la dirección de donde procedía una explosión, empezaron a captar resplandores que insinuaban explosiones cósmicas. Luego, en 2003, los astrónomos que observaban un resplandor cercano vieron el brillantes fuegos artificiales de una supernova apenas unos días después de un largo estallido de rayos gamma: el estallido había señalado la primera etapa en la muerte de una estrella gigante.

Comprender el cataclismo más rápido requeriría otra década y herramientas más afiladas. El instrumento revolucionario resultó ser el satélite Swift de la NASA. Lanzado en 2004, Swift presentaba una placa de plomo estampada de un metro de largo que podía atrapar rayos gamma de una amplia franja del cielo. Fundamentalmente, también poseía la capacidad única de girar rápidamente un par de telescopios a bordo en la dirección de cualquier estallido astronómico. (Según la tradición entre los científicos de Swift, esta tecnología de apuntar y disparar se desarrolló parcialmente para otro proyecto de defensa de la Guerra Fría: la Iniciativa de Defensa Estratégica de Ronald Reagan, conocida informalmente como “Star Wars”, cuyo objetivo era derribar misiles nucleares en pleno vuelo. )

Con Swift, los astrónomos ahora podrían observar una explosión en dos minutos, lo suficientemente rápido como para captar el resplandor de explosiones cortas de rayos gamma por primera vez. Mientras observaban cómo se desvanecía el destello inicial, los astrónomos también vieron signos de una explosión resultante, que se volvió más roja con el tiempo. Los astrofísicos pronto calcularon que este enrojecimiento era de esperar después de una fusión que involucraba una estrella de neutrones (que podría ser un choque entre dos estrellas de neutrones o entre una estrella de neutrones y un agujero negro). Tal colisión expulsaría escombros que bloqueaban longitudes de onda de luz más cortas y azules. La comparación de esas explosiones, denominadas kilonovas, con los breves destellos de rayos gamma que las precedieron proporcionó una fuerte evidencia circunstancial de que las fusiones de estrellas de neutrones fueron una breve catástrofe.

Evidencia directa llegó el 17 de agosto de 2017. Dos estrellas de neutrones cercanas chocaron y sacudieron el tejido del espacio-tiempo, produciendo ondas gravitacionales que el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) pudo detectar. Al leer la información codificada en esas ondas, los científicos calcularían más tarde las masas de los objetos en colisión y aprenderían que eran estrellas de neutrones. Justo después de la llegada de las ondas gravitacionales, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi captó una explosión de rayos gamma de dos segundos de duración. Y en los días siguientes, los astrónomos vieron el revelador enrojecimiento de una kilonova en el mismo lugar donde estalló el rayo gamma. El tres observaciones consecutivas dejó poco lugar a dudas: las ráfagas cortas podrían provenir de fusiones de estrellas de neutrones.

“Eso cimentó todo”, dijo brian metzger, astrofísico de la Universidad de Columbia y uno de los teóricos que predijo por primera vez cómo se vería la kilonova después de una fusión. "[Pensamos] 'Está bien, esta imagen realmente tiene sentido'".

Esa imagen ahora está empezando a fracturarse.

Un giro en el tercer acto

Primero fue el de Rastinejad. Explosión de 51 segundos a finales de 2021. Se parecía mucho a una larga explosión cercana de 2006 que, sorprendentemente, parecía carecer de una supernova. Pero con instrumentos modernos y una comprensión más profunda de qué buscar, Rastinejad y sus colegas pudieron ver lo que los astrónomos no habían visto en 2006: la explosión de 2021 fue seguida por una tenue kilonova roja.

Esa observación estimuló andres levan de la Universidad de Radboud para volver a visitar una misteriosa explosión de 64 segundos que había estado desconcertando desde 2019. La explosión se había producido en el corazón de una antigua galaxia donde los nacimientos y muertes de estrellas (en forma de supernovas) habían cesado hace eones. En junio, Levan y sus colaboradores argumentaron que la explicación más probable para su larga explosión era que dos cadáveres estelares (al menos uno de los cuales probablemente era una estrella de neutrones) se habían encontrado y fusionado.

Y ahora, el telescopio espacial James Webb ha proporcionado la visión más clara hasta ahora de lo que sucede después de una explosión anómala. Cuando la explosión de 35 segundos llegó a la Tierra el 7 de marzo, la placa de plomo sensora de rayos gamma de Swift estaba orientada en una dirección diferente. Los rayos energéticos fueron detectados principalmente por Fermi, que lo calificó como el segundo estallido de rayos gamma más brillante de todos los tiempos (después de un evento récord en 2022).

En lugar de Swift, los astrónomos utilizaron una flota interplanetaria de naves espaciales (incluidas sondas en Marte y Mercurio) para determinar la posición de la explosión. En los días siguientes, cuando los telescopios terrestres volvieron a ver el característico enrojecimiento de una kilonova, Levan rápidamente envió una solicitud de emergencia para una observación JWST del evento casi en tiempo real. “Afortunadamente para nosotros, dijeron que sí”, dijo Levan. "Eso nos permitió obtener esas observaciones aproximadamente un mes después del estallido inicial".

JWST recopiló una gran cantidad de datos del campo de escombros ondulantes. Los telescopios ópticos no pueden ver profundamente la espesa nube de kilonova precisamente por la razón por la que este evento cautiva a los astrofísicos: arroja átomos gigantes que bloquean la luz a través de una arcana cadena de eventos conocida como r-proceso.

Las estrellas normalmente fusionan átomos de hidrógeno en helio y luego fusionan átomos más ligeros en átomos algo más pesados, como oxígeno y carbono. El r-El proceso es una de las únicas formas de saltar directamente a los elementos naturales más pesados. Esto se debe a que la colisión de una estrella de neutrones crea una densa vorágine de neutrones. En el caos, los neutrones se abren paso repetidamente hacia los núcleos atómicos, formando átomos altamente inestables y radiactivos. A medida que los neutrones de estos átomos se desintegran, se transmutan en protones. Si terminas con 78 protones, ese es un átomo de platino. Si obtienes 79 protones, eso es oro.

Los voluminosos átomos forjados por el polvo de una estrella de neutrones bloquean la luz visible y brillan principalmente en luz infrarroja. Por eso el JWST, un telescopio infrarrojo, era tan adecuado para observar el interior de una nube de kilonova. "Nunca antes habíamos observado una kilonova con JWST", dijo Metzger. "Es el instrumento perfecto".

En los escombros, JWST detectó átomos de telurio (52 protones), lo que confirma que las fusiones de estrellas de neutrones pueden forjar elementos bastante pesados ​​hacia el final de la quinta fila de la tabla periódica. "Es un elemento mucho más pesado que los que hemos visto antes", dijo Levan.

Pero al mismo tiempo, la observación del JWST se suma a la creciente comprensión de que, por improbable que alguna vez pareciera, las fusiones que involucran estrellas de neutrones pueden producir largas explosiones de rayos gamma. La pregunta ahora es: ¿Cómo?

Objetos densos, ráfagas largas

Las supernovas disparan largas ráfagas de rayos gamma porque las explosiones estelares son relativamente lentas y desordenadas. La muerte de una estrella gigante comienza cuando su centro colapsa en un agujero negro. Después de que eso sucede, una cantidad sustancial de material estelar externo (quizás sumando la masa de varios soles) entra en espiral hacia el agujero negro, lanzando poderosos chorros de partículas que disparan rayos gamma al vacío durante varios minutos.

Por el contrario, se supone que las fusiones de estrellas de neutrones terminan en un instante. Una estrella de neutrones concentra la masa de un sol aproximadamente en una esfera diminuta y lisa de sólo unos pocos kilómetros de diámetro. Cuando dos de esos densos orbes chocan, o cuando uno choca contra un agujero negro, la materia colapsa en un agujero negro. Durante ese espasmo final, se lanza a órbita mucha menos materia sobrante que en el caso de un colapso estelar. A medida que el agujero negro devora este ligero refrigerio, que podría pesar 10 veces menos que el sol, impulsa brevemente chorros (y un estallido de rayos gamma) que duran décimas de segundo.

Las nuevas observaciones de Levan, Rastinejad y otros chocan con esta imagen rápida y limpia de fusiones de estrellas de neutrones. "No tiene ningún sentido tener una explosión de 10 segundos de un sistema que vive sólo una fracción de segundo", dijo Ore Gottlieb, astrofísico computacional del Instituto Flatiron que no participó en las observaciones.

Una posibilidad es que algo más grande y más desordenado que las estrellas de neutrones esté enviando estas explosiones duraderas. En particular, su mayor duración encajaría más naturalmente con una fusión entre una enana blanca (un tipo de cadáver estelar más grande que queda cuando una estrella pequeña se queda sin combustible) y un agujero negro o una estrella de neutrones. Ese escenario da como resultado más materia alrededor de un agujero negro. Pero no está claro si las colisiones que involucran a enanas blancas producirían los tipos correctos de estallidos de rayos gamma, o incluso kilonovas. "Todo el fenómeno ha sido mucho menos estudiado", dijo Kasen de Berkeley. "Estamos trabajando en ello ahora mismo".

Otra opción es que los largos estallidos de rayos gamma no provengan en absoluto del festín de agujeros negros recién nacidos. En cambio, si chocas dos pequeñas estrellas de neutrones y la masa resultante gira lo suficientemente rápido, podría resistir colapsar en un agujero negro durante unos minutos. El objeto de corta duración sería una estrella de neutrones altamente magnetizada (una “magnetar”) que emitiría un estallido más largo de rayos gamma a medida que su giro disminuyera. Metzger ayudó a desarrollar este escenario, pero incluso él lo considera una noción radical. "Todavía soy bastante escéptico al respecto", dijo.

La posibilidad más conservadora, dijo Metzger, es que las fusiones que involucran estrellas de neutrones sean simplemente más complicadas de lo que pensaban los astrofísicos. Durante el verano, simulaciones detalladas de una colaboración dirigida por Gottlieb sugirió que este podría ser el caso a menudo. En particular, cuando una estrella de neutrones ligera se encuentra con un agujero negro giratorio suficientemente pesado, la estrella de neutrones gira en espiral y el agujero negro la destroza a lo largo de cientos de órbitas, dejando un disco más pesado de material que el agujero negro necesita decenas de segundos para consumir. . Al simular colisiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros, Gottlieb, Metzger y sus colaboradores descubrieron que los discos más pesados ​​que impulsaban estallidos de rayos gamma más largos eran bastante comunes.

De hecho, en un giro irónico, sus simulaciones no produjeron las ráfagas cortas frecuentemente observadas tan fácilmente como las ráfagas largas, planteando preguntas sobre qué es exactamente lo que impulsa las ráfagas cortas.

"No entendemos [completamente] estas cosas", dijo Gottlieb. "Creo que este es probablemente el mayor problema ahora".

Llenando los huecos

Para descubrir qué sucede realmente cuando las estrellas muertas chocan, los astrónomos tendrán que redoblar sus esfuerzos para construir un catálogo detallado de estallidos de rayos gamma, ya que lo que supusieron que era un lote de explosiones impulsadas principalmente por supernovas ahora parece estar mezclado. con un número desconocido de fusiones de estrellas de neutrones. Eso requerirá buscar kilonovas (la firma de las colisiones) después de ráfagas largas y cortas. Si persiste la distinción entre largo y corto, podría ser una señal de que hay más de una forma de preparar una kilonova.

"Estamos aprendiendo que cada vez que hay un evento relativamente cerca, debemos intentarlo", dijo Rastinejad.

LIGO también desempeñará un papel fundamental. El observatorio estuvo fuera de línea para realizar actualizaciones durante estas recientes y extrañas explosiones, pero actualmente se encuentra en la mitad de su cuarta ejecución escuchando las colisiones distantes. Si LIGO puede captar ondas gravitacionales provenientes de una larga explosión de rayos gamma, los científicos sabrán si se trata de estrellas de neutrones o agujeros negros. Esto también les permitirá descartar las enanas blancas, que no hacen que LIGO detecte ondas gravitacionales. Los movimientos detallados de las ondas en futuros observatorios podrían incluso ofrecer pistas sobre si el producto inmediato fue un magnetar o un agujero negro.

"[Las ondas gravitacionales] serán realmente la única manera definitiva de avanzar en esta cuestión", dijo Metzger.

Al detectar los ruidos gravitacionales de las fusiones de estrellas de neutrones y observar explosiones de rayos gamma y kilonovas, los astrofísicos podrían eventualmente lograr su objetivo a largo plazo de explicar completamente el origen de cada sustancia en el universo, desde el hidrógeno hasta el platino y el plutonio. Para ello, necesitan saber qué tipos de fusiones ocurren, con qué frecuencia es cada tipo, qué elementos produce cada tipo y en qué cantidades, y qué papel desempeñan otros eventos como las supernovas. Es una tarea desalentadora que apenas comienza.

"Todavía existe el objetivo central de determinar los sitios astrofísicos donde se forma cada elemento de la tabla periódica", dijo Levan. "Aún quedan espacios en blanco, por lo que creemos que esto está empezando a llenar varios de esos importantes espacios en blanco".

Nota del editor: El Instituto Flatiron está financiado por la Fundación Simons, que también financia esta revista editorialmente independiente. Ni el Instituto Flatiron ni la Fundación Simons tienen influencia alguna sobre nuestra cobertura. Más información disponible esta página.