Esta ilustración muestra la secuencia para formar una kilonova impulsada por magnetar, cuyo brillo máximo alcanza hasta 10.000 veces el de una nova clásica
Esta ilustración muestra la secuencia para formar una kilonova impulsada por magnetar, cuyo brillo máximo alcanza hasta 10.000 veces el de una nova clásica. 1) Dos estrellas de neutrones en órbita se acercan cada vez más en espiral. 2) Chocan y se fusionan, provocando una explosión que libera más energía en medio segundo de la que producirá el Sol durante toda su vida útil de 10 mil millones de años. 3) La fusión forma una estrella de neutrones aún más masiva llamada magnetar, que tiene un campo magnético extraordinariamente poderoso. 4) El magnetar deposita energía en el material expulsado, lo que hace que brille inesperadamente en longitudes de onda infrarrojas. Crédito: NASA, ESA y D. Player (STScI).

Hace mucho tiempo y en todo el universo, una enorme explosión de rayos gamma desencadenó más energía en medio segundo de la que producirá el Sol durante toda su vida completa de 10.000 millones de años. Después de examinar la explosión increíblemente brillante con longitudes de onda ópticas, de rayos X, infrarrojo cercano y de radio, un equipo de astrofísica liderado por la Universidad Northwestern cree que potencialmente detectó el nacimiento de un magnetar.

Los investigadores creen que el magnetar se formó por la fusión de dos estrellas de neutrones, algo que nunca antes se había observado. La fusión dio como resultado una kilonova brillante, la más intensa jamás vista, cuya luz finalmente llegó a la Tierra el 22 de mayo de 2020. La luz llegó por primera vez como una explosión de rayos gamma, llamada explosión corta de rayos gamma.

Cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, el resultado predicho más común es que forman una estrella de neutrones pesada que colapsa en un agujero negro en milisegundos o menos“, asegura Wen-fai Fong de Northwestern, quien dirigió el estudio. “Nuestro estudio muestra que es posible que, para este estallido de rayos gamma corto en particular, el objeto pesado sobreviviera. En lugar de colapsar en un agujero negro, se convirtió en un magnetar: una estrella de neutrones que gira rápidamente y que tiene grandes campos magnéticos, vertiendo energía en su entorno circundante y creando el brillo tan intenso que vemos“.

La investigación ha sido aceptada por The Astrophysical Journal y se publicará en línea a finales de este año.

Fong es profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro de CIERA (Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica). La investigación involucró a dos estudiantes universitarios, tres estudiantes graduados y tres becarios postdoctorales del laboratorio de Fong.

Después de que la luz fuera detectada por primera vez por el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA, los científicos rápidamente reclutaron otros telescopios, incluido el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, el Very Large Array (VLA), el W.M. Keck y la red del Telescopio Global del Observatorio Las Cumbres, para estudiar las secuelas de la explosión y su galaxia anfitriona.

El equipo de Fong rápidamente se dio cuenta de que algo no cuadraba. En comparación con las observaciones de rayos X y radio, la emisión del infrarrojo cercano detectada con el Hubble era demasiado brillante. De hecho, fue 10 veces más brillante de lo previsto.

A medida que llegaban los datos, estábamos formando una imagen del mecanismo que producía la luz que estábamos viendo“, comenta el coinvestigador del estudio, Tanmoy Laskar, de la Universidad de Bath en el Reino Unido. “Cuando obtuvimos las observaciones del Hubble, tuvimos que cambiar completamente nuestro proceso de pensamiento, porque la información que agregó Hubble nos hizo darnos cuenta de que teníamos que descartar nuestro pensamiento convencional y que estaba ocurriendo un nuevo fenómeno. Luego tuvimos que averiguar sobre lo que eso significó para la física que hay detrás de estas explosiones extremadamente enérgicas“.

El magnetar, un monstruo magnético

Fong y su equipo han analizado varias posibilidades para explicar el brillo inusual —conocido como una breve explosión de rayos gamma— que vio Hubble. Los investigadores creen que las ráfagas cortas son causadas por la fusión de dos estrellas de neutrones, objetos extremadamente densos sobre la masa del sol comprimidos en el volumen de una gran ciudad como Chicago. Si bien la mayoría de las explosiones cortas de rayos gamma probablemente resulten en un agujero negro, las dos estrellas de neutrones que se fusionaron en este caso pueden haberse combinado para formar un magnetar, una estrella de neutrones supermasiva con un campo magnético muy poderoso.

Básicamente, tienes estas líneas de campo magnético que están ancladas a la estrella y que se mueven alrededor de 1.000 veces por segundo, y esto produce un viento magnetizado“, explica Laskar. “Estas líneas de campo giratorio extraen la energía de rotación de la estrella de neutrones formada en la fusión y depositan esa energía en la eyección de la explosión, lo que hace que el material brille aún más“.

Sabemos que existen magnetares porque los vemos en nuestra galaxia“, afirma Fong. “Creemos que la mayoría de ellos se forman en la muerte explosiva de estrellas masivas, sin contemplar estas estrellas de neutrones altamente magnetizadas. Sin embargo, es posible que se forme una pequeña fracción de ellos en fusiones de estrellas de neutrones. Nunca hemos visto evidencia de eso antes, y mucho menos en luz infrarroja, lo que hace que este descubrimiento sea especial“.

Kilonova extrañamente brillante

Se espera que las kilonovas, que suelen ser 1.000 veces más brillantes que una nova clásica, acompañen a breves estallidos de rayos gamma. Exclusivas de la fusión de dos objetos compactos, las kilonovas brillan por la desintegración radiactiva de elementos pesados expulsados durante la fusión, produciendo elementos codiciados como oro y uranio.

Sólo tenemos una kilonova confirmada y bien muestreada hasta la fecha“, asegura Jillian Rastinejad, coautora del artículo y estudiante de posgrado en el laboratorio de Fong. “Así que es especialmente emocionante encontrar una nueva kilonova potencial que se ve tan diferente. Este descubrimiento nos dio la oportunidad de explorar la diversidad de kilonovas y sus objetos remanentes“.

Si el brillo inesperado visto por Hubble provino de un magnetar que depositó energía en el material de la kilonova, entonces, dentro de unos años, el material expulsado por la explosión producirá luz que se mostrará en longitudes de onda de radio. Las observaciones de radio de seguimiento pueden, en última instancia, demostrar que se trataba de un magnetar, lo que lleva a una explicación adicional del origen de tales objetos.

Ahora que tenemos una kilonova candidata muy brillante“, concluye Rastinejad, “estoy emocionada por las nuevas sorpresas que los estallidos cortos de rayos gamma y las fusiones de estrellas de neutrones nos deparan en el futuro“.

Fuente: Cornell University.

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