Derby de demolición estelar da a luz un poderoso estallido de rayos gamma
Por la Universidad del Noroeste.
22 de junio de 2023.
Ilustración artística de un estallido de rayos gamma. Crédito: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Ajo/M. Zamani.
Mientras buscaba los orígenes 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 se originan a partir de estrellas masivas en explosión o fusiones de estrellas de neutrones, los investigadores concluyeron que GRB 191019A provino de la colisión de estrellas o remanentes estelares en el entorno repleto que rodea un agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia antigua. El entorno similar al derby de demolición apunta a una forma hipotética, pero nunca antes vista, de demoler una estrella y generar un GRB.
El estudio fue publicado en la revista Nature Astronomy. Dirigido por la Universidad de Radboud en los Países Bajos, el equipo de investigación incluyó a astrónomos de la Universidad Northwestern.
"Por cada cien eventos que encajan en el esquema de clasificación tradicional de los estallidos de rayos gamma, hay al menos un bicho raro que nos hace dar vueltas", dijo Wen-fai Fong, astrofísico de Northwestern y coautor del estudio, "Sin embargo, es estos bichos raros que nos dicen más sobre la espectacular diversidad de explosiones que el Universo es capaz de hacer".
"El descubrimiento de estos fenómenos extraordinarios dentro de los sistemas estelares densos, especialmente aquellos que rodean los agujeros negros supermasivos en los núcleos de las galaxias, es sin duda emocionante", dijo el astrofísico de Northwestern y coautor del estudio, Giacomo Fragione. "Este notable descubrimiento nos otorga una visión tentadora de las intrincadas dinámicas que operan dentro de 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 Weinberg de Northwestern y miembro del Centro para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Fragione es profesor asistente de investigación en CIERA. Otros coautores de Northwestern incluyen a Anya Nugent y Jillian Ratinejad, ambas estudiantes de Ph.D. 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 estrellas enanas blancas. Las estrellas más masivas, por otro lado, brillan más y explotan más rápido en explosiones de supernovas cataclísmicas, creando objetos ultradensos como estrellas de neutrones y agujeros negros. El tercer escenario ocurre cuando dos de estos remanentes estelares forman un sistema binario y finalmente chocan.
Pero el nuevo estudio encuentra que podría haber una cuarta opción.
"Nuestros resultados muestran que las estrellas pueden encontrar su desaparición en algunas de las regiones más densas del Universo, donde pueden colisionar", dijo el autor principal Andrew Levan, astrónomo de la Universidad de Radboud. "Esto es emocionante para comprender cómo mueren las estrellas y para responder otras preguntas, como qué fuentes inesperadas podrían crear ondas gravitacionales que podríamos detectar en la Tierra".
Mucho más allá de su apogeo de formación de estrellas, las antiguas galaxias tienen pocas, si es que alguna, estrellas masivas restantes. Sin embargo, sus núcleos están repletos 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 la turbulenta colmena de actividad que rodea a un agujero negro supermasivo, solo sería cuestión de tiempo antes de que dos objetos estelares chocaran para producir un GRB. Pero la evidencia de ese tipo de fusión sigue siendo esquiva.
El 19 de octubre de 2019, los astrónomos vislumbraron los primeros indicios de tal evento cuando el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA detectó un destello brillante de rayos gamma que duró poco más de un minuto. Cualquier GRB que dure más de dos segundos se considera "largo". Estos estallidos suelen provenir del colapso de estrellas de al menos 10 veces la masa de nuestro Sol.
Luego, los investigadores 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 señalar la ubicación del GRB en una región a menos de 100 años luz del núcleo de una galaxia antigua, muy cerca del agujero negro supermasivo de la galaxia. Curiosamente, los investigadores tampoco encontraron evidencia de una supernova correspondiente, que dejaría su huella en la luz capturada por Gemini South.
"La falta de una supernova que acompañe al largo GRB 191019A nos dice que este estallido no es el típico colapso de una estrella masiva", dijo Ratinejad, quien realizó cálculos para asegurarse de que no se escondiera una supernova entre los datos. "La ubicación de GRB 191019A, incrustado en el núcleo de la galaxia anfitriona, provoca una teoría predicha pero aún no demostrada sobre 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 increíblemente rara. Los núcleos de las galaxias antiguas, sin embargo, son cualquier cosa menos típicos, y puede haber un millón o más de estrellas apiñadas en una región de unos pocos años luz de diámetro.
Una densidad de población tan extrema puede ser lo suficientemente grande como para que ocurran colisiones estelares ocasionales, especialmente bajo la titánica influencia gravitacional de un agujero negro supermasivo, que perturbaría los movimientos de las estrellas y las enviaría a toda velocidad en direcciones aleatorias. Eventualmente, estas estrellas descarriadas se cruzarían y fusionarían, provocando una explosión titánica que podría observarse desde grandes distancias cósmicas.
"Este evento confunde casi todas las expectativas que tenemos para los entornos de GRB cortos y largos", dijo Nugent, quien realizó un modelo crucial de la galaxia anfitriona.
"Si bien nunca se encuentran GRB largos en galaxias tan viejas y muertas como la anfitriona de GRB 191019A, no se ha observado que los GRB cortos, con sus orígenes de fusión, estén tan conectados con los núcleos de sus anfitriones. El descubrimiento de este evento en el centro de su La vieja galaxia inactiva abre la puerta a nuevas vías prometedoras para la formación de sistemas binarios que rara vez se han observado antes".
Es posible que tales eventos ocurran de forma rutinaria en regiones igualmente pobladas en todo el Universo, pero que hayan pasado desapercibidos hasta este momento. Una posible razón de su oscuridad es que los centros galácticos están repletos de polvo y gas, lo que podría oscurecer tanto el destello inicial del GRB como el resplandor resultante. GRB 191019A puede ser una rara excepción, ya que permite a los astrónomos detectar el estallido y estudiar sus efectos secundarios.
"Si bien este evento es el primero de su tipo en ser descubierto, es posible que haya más que estén ocultos por las grandes cantidades de polvo cerca de sus galaxias", dijo Fong. "De hecho, si este evento de larga duración provino de la fusión de objetos compactos, contribuye a la creciente población de GRB que desafía nuestras clasificaciones tradicionales".
Al trabajar para descubrir más de estos eventos, los investigadores esperan hacer coincidir una detección de GRB con una detección de ondas gravitacionales correspondiente, lo que revelaría más sobre su verdadera naturaleza y confirmaría sus orígenes, incluso en los entornos más turbios. El Observatorio Vera C. Rubin, cuando entre en funcionamiento en 2025, será invaluable en este tipo de investigación.
El estudio, "Un estallido de rayos gamma de larga duración de origen dinámico desde el núcleo de una galaxia antigua", se publica en Nature Astronomy.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-06-stellar-demolition-derby-births-powerful.html