Ilustración artística de un estallido de rayos gamma. Crédito: Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M Observatorio Internacional. Ajo/M Zamani
Mientras buscaba la fuente de un poderoso estallido de rayos gamma (GRB), un equipo internacional de astrofísicos pudo haber encontrado una nueva forma de destruir una estrella.
Aunque la mayoría de los GRB provienen de la explosión de estrellas masivas o fusiones de estrellas de neutrones, los investigadores concluyeron que el GRB 191019A provino de colisiones entre estrellas o remanentes estelares en el entorno abarrotado que rodea un agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia antigua. Un entorno similar a un derby de demolición insinúa una forma hipotética, pero nunca antes vista, de destruir una estrella y generar un GRB.
El estudio fue publicado en la revista astronomía de la naturaleza. El equipo de investigación, dirigido por la Universidad de Radboud en los Países Bajos, estaba formado por astrónomos de la Universidad Northwestern.
“Por cada 100 eventos que se ajustan al esquema de clasificación tradicional para los estallidos de rayos gamma, hay al menos un bicho raro que nos mete en un bucle”, dijo Wen-fai Fong, astrofísico de Northwestern y coautor del estudio. esos monstruos que más nos cuentan sobre la espectacular variedad de explosiones que el universo es capaz de hacer”.
“El descubrimiento de estos fenómenos extraordinarios en sistemas estelares densos, especialmente aquellos que rodean agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias, es innegablemente emocionante”, dijo Giacomo Fragione, astrofísico de Northwestern y coautor del estudio. “Este notable descubrimiento nos brinda una visión tentadora de la intrincada dinámica en juego en estos entornos cósmicos, estableciéndolos como fábricas de eventos que de otro modo se considerarían imposibles”.
Fong es profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg en Northwestern y miembro del Centro de Investigación y Exploración Interdisciplinaria de Astrofísica (CIERA). Fragione es profesor asistente en CIERA. Otros colaboradores de Northwestern incluyen a Anya Nugent y Jillian Ratinejad, ambas con doctorados. estudiantes de astronomía y miembros del grupo de investigación de Fong.
La mayoría de las estrellas mueren, según su masa, en una de tres formas predecibles. Cuando las estrellas de masa relativamente baja como nuestro Sol alcanzan la vejez, se despojan de sus capas externas y finalmente se desvanecen para convertirse en enanas blancas. Por otro lado, las estrellas más masivas brillan más y explotan más rápido en explosiones cataclísmicas de supernova, creando objetos ultradensos como estrellas de neutrones y agujeros negros. El tercer escenario es cuando dos remanentes estelares de este tipo forman un sistema binario y finalmente chocan.
Pero un nuevo estudio muestra que puede haber una cuarta opción.
“Nuestros resultados muestran que las estrellas pueden morir en algunas de las regiones más densas del universo, donde pueden colisionar”, dijo el autor principal Andrew Levan, astrónomo de la Universidad de Radboud. “Es emocionante entender cómo mueren las estrellas y responder otras preguntas, como fuentes inesperadas que podrían crear ondas gravitacionales que podríamos detectar en la Tierra”.
Mucho después de un período de formación estelar, las galaxias antiguas tienen pocas, si es que alguna, estrellas masivas restantes. Sin embargo, sus núcleos están llenos de estrellas y una colección de remanentes estelares ultradensos como enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros. Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que en el turbulento enjambre de actividad alrededor de un agujero negro supermasivo, solo será cuestión de tiempo antes de que dos objetos estelares colisionen para producir GRB. Pero la evidencia de este tipo de fusión sigue siendo esquiva.
El 19 de octubre de 2019, los astrónomos detectaron los primeros signos de tal evento cuando el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA detectó un estallido brillante de rayos gamma que duró poco más de un minuto. Cualquier GRB que dure más de dos segundos se considera “largo”. Tales erupciones generalmente provienen del colapso de estrellas de al menos 10 veces la masa de nuestro sol.
Luego, los científicos utilizaron el telescopio Gemini Sur en Chile, parte del Observatorio Internacional Gemini operado por NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias, para realizar observaciones a largo plazo del resplandor crepuscular del GRB.
Estas observaciones permitieron a los astrónomos ubicar con precisión el GRB en una región a menos de 100 años luz del núcleo de la antigua galaxia, muy cerca del agujero negro supermasivo de la galaxia. Curiosamente, los científicos tampoco encontraron evidencia de una supernova adecuada que hubiera dejado su huella en la luz capturada por Gemini South.
“La ausencia de una supernova que acompañe a GRB 191019A largo nos dice que este estallido no es el típico colapso de una estrella masiva”, dijo Rastinejad, quien realizó los cálculos para asegurarse de que la supernova no se escondiera en los datos. “La ubicación de GRB 191019A, incrustada en el núcleo de su galaxia anfitriona, provoca una teoría predicha pero aún no documentada de cómo podrían formarse las fuentes emisoras de ondas gravitacionales”.
En entornos galácticos típicos, la producción de GRB largos a partir de remanentes estelares en colisión, como estrellas de neutrones y agujeros negros, es extremadamente rara. Los núcleos de las galaxias antiguas, sin embargo, no son típicos, y puede haber un millón o más de estrellas en una región de unos pocos años luz de diámetro.
Tales densidades de población extremas podrían ser tan grandes que podrían ocurrir colisiones estelares ocasionales, especialmente bajo la atracción gravitacional titánica de un agujero negro supermasivo que perturbaría los movimientos de las estrellas y las enviaría en direcciones aleatorias. Eventualmente, estas estrellas recalcitrantes se cruzarían y fusionarían, provocando una explosión gigantesca que podría observarse desde grandes distancias cósmicas.
“Este evento desafía casi todas nuestras expectativas sobre el entorno de los GRB cortos y largos”, dijo Nugent, quien realizó un modelo clave de la galaxia anfitriona.
“Mientras que los GRB largos nunca se encuentran en galaxias tan viejas y muertas como el GRB 191019A padre, los GRB cortos, con sus orígenes fusionados, no se han observado tan conectados con sus núcleos anfitriones. El descubrimiento de este evento en el núcleo de su antigua galaxia inactiva abre la puerta a nuevas vías prometedoras para la formación binaria que rara vez se han observado anteriormente”.
Es posible que tales eventos ocurran de forma rutinaria en regiones del universo igualmente pobladas, pero han pasado desapercibidos hasta ahora. Una posible razón de su oscuridad es que los centros de las galaxias están llenos de polvo y gas, lo que puede oscurecer tanto el destello inicial de GRB como el resplandor resultante. GRB 191019A puede ser la rara excepción, ya que permite a los astrónomos detectar la llamarada y estudiar sus consecuencias.
“Aunque este evento es el primero de su tipo descubierto, es posible que haya más, ocultos por grandes cantidades de polvo cerca de sus galaxias”, dijo Fong. “De hecho, si este evento a largo plazo resulta de la fusión de objetos compactos, contribuye a una población creciente de GRB que desafía nuestras clasificaciones tradicionales”.
Mientras trabajan para descubrir más de estos eventos, los científicos esperan hacer coincidir la detección de GRB con la detección adecuada de ondas gravitacionales, lo que revelará más sobre su verdadera naturaleza y confirmará su origen, incluso en los entornos más oscuros. El Observatorio Vera C. Rubin, que se lanzará en 2025, será invaluable en este tipo de investigación.
Se publica en la revista el estudio “Estallido de rayos gamma de larga duración de origen dinámico desde el núcleo de una galaxia antigua” astronomía de la naturaleza.
Proporcionado por la Universidad de Northwestern