Nacimiento de magnetar a partir de colosal colisión potencialmente detectado por primera vez

La fusión de estrellas de neutrones da como resultado un magnetar con la kilonova más brillante jamás observada

La fusión de estrellas de neutrones da como resultado una magnetar, una estrella de neutrones super masiva con un campo magnético muy poderoso. La fusión fue acompañada por la kilonova más brillante jamás observada.
Crédito:
NASA, ESA y D. Player (STSci).

Resumen

  • El Telescopio Espacial Hubble detectó una breve explosión de rayos gamma 10 veces más brillante de lo previsto.
  • Un brillo misterioso podría indicar el nacimiento de un magnetar raro, formado a partir de la fusión de dos estrellas de neutrones
  • Investigador: ‘Nunca habíamos visto evidencia’ antes de un magnetar formado por fusión de estrellas de neutrones 

Introducción

Hace mucho tiempo y muy lejos en el universo, una enorme explosión de rayos gamma liberó mucha energía en medio segundo. Esa cantidad de energía es similar a la que producirá el Sol durante toda su vida de 10 mil millones de años.

Un equipo de astrofísicos examinó la explosión increíblemente brillante en longitudes de onda ópticas, de rayos X, infrarrojo cercano y de radio. El equipo dirigido por la Universidad Northwestern (Noroeste) cree que potencialmente detectaron el nacimiento de un magnetar.

Los investigadores creen que el magnetar se formó por la fusión de dos estrellas de neutrones, lo que nunca antes se había observado. La fusión dio como resultado una kilonova, la más brillante 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. Ella colapsa en un agujero negro en milisegundos o menos”, dijo Wen-fai Fong de Northwestern, quien dirigió el estudio. “Nuestro estudio muestra que es posible que, para esta breve explosión de rayos gamma 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 tiene grandes campos magnéticos. Estas dos características, hacen que el magnetar descargue energía en su entorno circundante, creando el intenso brillo que vemos”.

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

Wen-fai Fong y su equipo

Fong es Profesora Asistente de Física y Astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. También es 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.

‘Un nuevo fenómeno’

Esta imagen muestra el brillo de una kilonova causado por la fusión de dos estrellas de neutrones. La kilonova, tiene un brillo máximo alcanza hasta 10.000 veces el de una nova clásica. Aparece como un punto brillante en la parte superior izquierda de la galaxia anfitriona.
Se cree que la fusión de las estrellas de neutrones produjo una magnetar, que tiene un campo magnético extremadamente poderoso. La energía de esa magnetar ilumina el material expulsado por la explosión. Ver gif.
Crédito: NASA, ESA, W. Fong (Universidad Northwestern) y T. Laskar (Universidad de Bath, Reino Unido).

Después de que el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA detectó la luz por primera vez, los científicos rápidamente reclutaron otros telescopios. Incluyeron el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, el Very Large Array, el Observatorio WM Keck y la Red de Telescopios Global del Observatorio Las Cumbres. El objetivo fue 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 radio y rayos X, 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”, dijo Tanmoy Laskar. Él es coautor del estudio, de la Universidad de Bath en el Reino Unido. “A medida que obtuvimos las observaciones del Hubble, tuvimos que cambiar completamente nuestro proceso de pensamiento. Esto fue porque la información del Hubble nos hizo darnos cuenta de que teníamos que descartar nuestro pensamiento convencional y que estaba ocurriendo un nuevo fenómeno. Luego tuvimos que averiguar qué significaba eso para la física detrás de estas explosiones extremadamente enérgicas».

Monstruo magnético

Fong y su equipo han discutido varias posibilidades para explicar el brillo inusual, conocido como un estallido corto de rayos gamma, que vio el Hubble. Los investigadores creen que las ráfagas cortas son causadas por la fusión de dos estrellas de neutrones. Estos son objetos extremadamente densos, de masa la del Sol, comprimida en el volumen de una gran ciudad como Chicago. La mayoría de las explosiones cortas de rayos gamma probablemente resulten en un agujero negro. Pero las dos estrellas de neutrones que se fusionaron en este caso pueden haberse combinado para formar un magnetar. Este es una estrella de neutrones super masiva 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 1000 veces por segundo. Esto produce un viento magnetizado», explicó Laskar. «Estas líneas de campo giratorio extraen la energía de rotación del magnetar y depositan esa energía en el material de eyección de la explosión. Esto hace que ese material brille aún más». 

“Sabemos que existen magnetares porque los vemos en nuestra galaxia”, dijo Fong. “Creemos que la mayoría de ellos se forman en la muerte explosiva de estrellas masivas, dejando atrás estas estrellas de neutrones altamente magnetizadas. Sin embargo, es posible que se forme una pequeña fracción en las fusiones de estrellas de neutrones. Nunca antes habíamos visto evidencia de eso, 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. Las kilonovas, son el resultado exclusivo de la fusión de dos objetos compactos. Brillan por la desintegración radiactiva de elementos pesados ​​expulsados ​​durante la fusión, produciendo elementos codiciados como oro y uranio.

“Hasta la fecha, solo tenemos una kilonova confirmada y bien muestreada”, dijo Jillian Rastinejad. Ella es coautora del artículo y estudiante de posgrado en el laboratorio de Fong. “Por eso 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».

Haciendo una predicción para confirmar si se trata de un magnetar

Si el brillo inesperado visto por Hubble provino de una magnetar que depositó energía en el material de la kilonova, entonces podemos hacer una predicción. Es, que 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. Esto lleva a una explicación del origen de tales objetos.

«Ahora tenemos una kilonova candidata muy brillante», dijo Rastinejad. «Estoy emocionado por las nuevas sorpresas que las explosiones cortas de rayos gamma y las fusiones de estrellas de neutrones nos deparan en el futuro».

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) realiza operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía.

El paper.

«La contraparte de banda ancha del GRB corto 2005221 en z = 0.5536: ¿Una kilonova luminosa o un flujo de salida colimado con un choque inverso?» Fue apoyado por la National Science Foundation (números de premio AST-1814782 y AST-1909358), NASA (número de programa 15964).

Fuente: Northwestern Now / Northwestern University.

Artículo original: «Birth of magnetar from colossal collision potentially spotted for first time«. Nov. 12, 2020.

Material relacionado

La detección de la primera Kilonova y la nueva era de la «Astronomía Multimensajero».

Esta imagen del instrumento MUSE, instalado en el VLT en el Observatorio Paranal, en Chile, muestra la galaxia NGC 4993. Está situada a unos 130 millones años luz de la Tierra. La galaxia en sí no es inusual. Pero contiene algo nunca antes visto, las secuelas de la explosión de un par de estrellas de neutrones que se han fusionado. Es un raro acontecimiento llamado kilonova (puede verse encima y ligeramente a la izquierda del centro de la galaxia). Esta fusión también produce ondas gravitacionales y rayos gamma, los cuales fueron detectados por LIGO-Virgo y Fermi/INTEGRAL respectivamente. Creando también un espectro para cada parte del objeto, MUSE nos permite ver la brillante emisión procedente del gas. Aquí aparece en rojo, y revela una sorprendente estructura espiral.
Crédito:
ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir.

Un nuevo tipo de transitorio de distinto origen, la primera Kilonova tuvo lugar el 17 de Agosto de 2017. Es un evento resultante de la fusión de dos estrellas de neutrones detectado por primera vez por LIGOA continuación fue observado por telescopios espaciales tanto de altas energías como en el rango óptico, y luego en tierra por  telescopios ópticos y radiotelescopios. Se abrió así una nueva era de la Astronomía, la «Astronomía Multimensajero» sumando el campo de las Ondas Gravitacionales al de las Electromagnéticas. El comunicado de prensa de ESO, con enlaces a los trabajos de investigación a que dio lugar el evento, es el siguiente.

Ver también:

Simulaciones de la evolución de un magnetar inmediatamente después de la fusión de sus progenitores (Video)

Nuevas simulaciones muestran la formación de chorros y vientos tras la colisión de dos estrellas de neutrones. Las imágenes de arriba muestran la simulación en cuatro momentos diferentes. 
Crédito: Mösta y col. 2020.

La pregunta de qué sucede después de la colisión de dos estrellas de neutrones sigue estando abierta. Se puso de relieve en los últimos años con una nuevo evento. Consistió en la detección de una señal de onda gravitacional coincidente con la radiación electromagnética de la colisión de dos estrellas de neutrones GW170817. 

Los científicos están trabajando activamente para mejorar los modelos de este proceso, y el último proviene del equipo dirigido por Philipp Mösta (Universidad de Amsterdam). Los modelos 3D de los autores muestran lo que podría suceder con un remanente posterior a la colisión, una estrella de neutrones hipermasiva. Enseñan cómo evoluciona con el tiempo, ganando fuerza de campo magnético y lanzando chorros dramáticos, relativistas y vientos ricos en neutrones. Las simulaciones muestran cómo se puede producir una ráfaga de rayos gamma, así como elementos pesados ​​como el oro. Todas ellas van muy bien con las observaciones de la fusión de 2017.

Vea el video a continuación para ver cómo evoluciona el remanente simulado de los autores (y sus líneas de campo magnético).

Película de la simulación de dos fusionados.
Crédito:
Philipp Mösta et al.

Fuente: AAS Nova.

Artículo original: «The Aftermath of a Neutron Star Collision»Susanna Kohler. October 27, 2020.

El paper

“A Magnetar Engine for Short GRBs and Kilonovae,” Philipp Mösta et al 2020 ApJL 901 L37. doi:10.3847/2041-8213/abb6ef

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