Primera identificación de un elemento pesado nacido tras la colisión de dos estrellas de neutrones. Observaciones llevadas a cabo con telescopios de ESO han detectado, por primera vez en el espacio, la formación de estroncio, un elemento utilizado en los fuegos artificiales
En 2017, tras la detección de ondas gravitacionales que pasaban por la Tierra, ESO apuntó sus telescopios en Chile, incluido el VLT, a la fuente: una fusión de estrellas de neutrones llamada GW170817. Los astrónomos sospechaban que, si los elementos más pesados se formaban en colisiones de estrellas de neutrones, se podrían detectar huellas de esos elementos en kilonovas, los restos explosivos de estas fusiones. Esto es lo que ha hecho un equipo de investigadores europeos utilizando datos del instrumento X-shooter, instalado en el VLT de ESO.
Tras la fusión de GW170817, la flota de telescopios de ESO comenzó a monitorear la emergente explosión de kilonova en un amplio rango de longitudes de onda. En particular, X-shooter tomó una serie de espectros desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. El análisis inicial de estos espectros sugirió la presencia de elementos pesados en la kilonova, pero hasta ahora los astrónomos no habían podido identificar elementos individuales.
"Tras reanalizar los datos de la fusión de 2017 hemos identificado la firma de un elemento pesado en esta bola de fuego: el estroncio, demostrando que la colisión de estrellas de neutrones crea este elemento en el universo", afirma el autor principal del estudio, Darach Watson, de la Universidad de Copenhague (Dinamarca). En la Tierra, el estroncio se encuentra de forma natural en el suelo y se concentra en ciertos minerales. Sus sales se utilizan para dar un color rojo brillante a los fuegos artificiales.
Los astrónomos conocen los procesos físicos que crean los elementos desde la década de 1950. Durante las décadas siguientes han descubierto la ubicación cósmica de cada una de estas principales forjas nucleares, excepto una. "Esta es la etapa final de una persecución de décadas para fijar el origen de los elementos", dice Watson. "Ahora sabemos que los procesos que crearon los elementos tuvieron lugar, principalmente, en estrellas ordinarias, en explosiones de supernovas o en las capas externas de estrellas viejas. Pero, hasta ahora, desconocíamos la ubicación del proceso final, conocido como captura rápida de neutrones, que creó los elementos más pesados de la tabla periódica".
La captura rápida de neutrones es un proceso en el que un núcleo atómico captura neutrones lo suficientemente rápido como para permitir la creación de elementos muy pesados. Aunque muchos elementos se producen en los núcleos de las estrellas, la creación de elementos más pesados que el hierro, como el estroncio, requiere de ambientes aún más calientes con muchos neutrones libres. La captura rápida de neutrones sólo ocurre de forma natural en ambientes extremos donde los átomos son bombardeados por un gran número de neutrones.
"Es la primera vez que podemos asociar directamente el material de nueva creación formado a través de la captura de neutrones con una fusión de estrellas de neutrones, confirmando que las estrellas de neutrones están hechas de neutrones y vinculando el proceso de captura rápida de neutrones, largamente debatido, a tales fusiones", añade Camilla Juul Hansen, del Instituto Max Planck de Astronomía, en Heidelberg, quien desempeñó un importante papel en el estudio.
Los científicos empiezan ahora a entender mejor las fusiones de estrellas de neutrones y las kilonovas. Debido a la limitada comprensión de estos nuevos fenómenos y a otras complejidades en los espectros que el instrumento X-shooter del VLT tomó de la explosión, los astrónomos no habían podido identificar elementos individuales hasta ahora.
"De hecho, muy poco después del evento, se nos ocurrió la idea de que podríamos estar viendo estroncio. Sin embargo, demostrar que esto era así resultó ser muy difícil. Esta dificultad se debió a nuestro poco conocimiento de la apariencia espectral de los elementos más pesados de la tabla periódica", dice Jonatan Selsing, investigador de la Universidad de Copenhague, autor clave del artículo.
La fusión GW170817 fue la quinta detección de ondas gravitacionales, hecha posible gracias a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), unas instalaciones de la NSF en EE.UU, y al Interferómetro Virgo, en Italia. Ubicada en la galaxia NGC 4993, la fusión fue la primera, y hasta ahora la única fuente de ondas gravitacionales que tuvo su contraparte visible detectada por telescopios en la Tierra.
Con los esfuerzos combinados de LIGO, Virgo y el VLT, tenemos la comprensión más clara hasta la fecha del funcionamiento interno de las estrellas de neutrones y sus explosivas fusiones.
Información adicional
Este trabajo de investigación se ha presentado en un artículo científico que aparece en la revista Nature el 24 de octubre de 2019.
El equipo está formado por D. Watson (Instituto Niels Bohr & Centro Cosmic Dawn, Universidad de Copenhague, Dinamarca); C. J. Hansen (Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania); J. Selsing (Instituto Niels Bohr & Centro Cosmic Dawn, Universidad de Copenhague, Dinamarca); A. Koch (Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg, Alemania); D. B. Malesani (DTU Space, Instituto Nacional del Espacio, Universidad Técnica de Dinamarca, & Instituto Niels Bohr & Centro Cosmic Dawn, Universidad de Copenhague, Dinamarca); A. C. Andersen (Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, Dinamarca); J. P. U. Fynbo (Instituto Niels Bohr & Centro Cosmic Dawn, Universidad de Copenhague, Dinamarca); A. Arcones (Instituto de Física Nuclear, Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania & Centro de Investigación de Iones Pesados GSI, Darmstadt, Alemania); A. Bauswein (Centro de Investigación de Iones Pesados GSI, Darmstadt, Alemania & Instituto Heidelberg de Estudios Teóricos, Alemania); S. Covino (Observatorio Astronómico de Brera, INAF, Milán, Italia); A. Grado (Observatorio Astronómico de Capodimonte, INAF, Nápoles, Italia); K. E. Heintz (Centro de Astrofísica y Cosmología, Instituto de Ciencia, Universidad de Islandia, Reykjavík, Islandia & Instituto Niels Bohr & Centro Cosmic Dawn, Universidad de Copenhague, Dinamarca); L. Hunt (Observatorio Astrofísico de Arcetri, INAF, Florencia, Italia); C. Kouveliotou (Universidad George Washington, Departamento de Física, Washington DC, EE.UU. & Instituto de Ciencias de Astronomía, Física y Estadística); G. Leloudas (DTU Space, Instituto Nacional del Espacio, Universidad Técnica de Dinamarca, & Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, Dinamarca); A. Levan (Departmento de Física, Universidad de Warwick, Reino Unido); P. Mazzali (Instituto de Investigación en Astrofísica, Universidad John Moores de Liverpool, Reino Unido & Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching, Alemania); E. Pian (Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia, INAF, Bolonia, Italia).
Representación artística del estroncio emergiendo de una fusión de estrellas de neutrones
Un equipo de investigación europeo, utilizando datos obtenidos con el instrumento X-shooter de ESO, instalado en el VLT (Very Large Telescope), ha detectado huellas de estroncio formado en una fusión de estrellas de neutrones. Esta representación artística muestra dos estrellas de neutrones pequeñas, pero muy densas, en el punto en el que se fusionan y explotan como una kilonova. En primer plano, vemos una representación del estroncio recién creado.
Crédito:
ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Montaje del espectro de la kilonova de NGC 4993 obtenido por X-shooter
Este montaje de espectros tomados con el instrumento X-shooter, instalado en el VLT (Very Large Telescope) de ESO muestra el comportamiento cambiante de la kilonova de la galaxia NGC 4993 durante un período de 12 días después de la explosión, detectada el 17 de agosto de 2017. Cada espectro cubre una gama de longitudes de onda que va del ultravioleta cercano al infrarrojo cercano y revela cómo el objeto se volvió más rojo y se desvaneció.
Crédito:
ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO
La galaxia NGC 4993 en la constelación Hidra
Este mapa muestra la extensa constelación de Hidra (la serpiente marina), la constelación más grande y más larga en el cielo. La mayoría de las estrellas que se muestran, pueden verse a simple vista en una noche despejada. El círculo rojo señala la posición de la galaxia NGC 4993, que se hizo famosa en agosto de 2017 por ser el lugar en el que se observó la primera fuente de ondas gravitacionales que también pudo identificarse en luz visible, la kilonova GW170817. Con un telescopio para aficionados grande, NGC 4993 puede verse como una mancha muy tenue.
Crédito:
ESO, IAU and Sky & Telescope
Imagen de DSS del área de NGC 4993
Esta imagen de amplio campo generada a partir del sondeo DSS2 (Digitized Sky Survey 2) muestra el cielo alrededor de la galaxia NGC 4993. Esta galaxia albergó la fusión de dos estrellas de neutrones, que llevó a la detección de ondas gravitacionales, una explosión de rayos gamma cortos y una identificación óptica de un evento kilonova.
Crédito:
ESO and Digitized Sky Survey 2
VIDEOS
ESOcast 210 Light: Primera identificación de un elemento pesado nacido tras la colisión de dos estrellas de neutrones
Por primera vez se ha detectado en el espacio estroncio recién formado, un elemento utilizado en los fuegos artificiales y que ha sido observado con el VLT (Very Large Telescope) de ESO. La detección confirma que los elementos más pesados del universo pueden formarse en fusiones de estrellas de neutrones, proporcionando una de las piezas que faltaban al rompecabezas de la formación de elementos químicos.
Este vídeo está disponible en 4K UHD.
"ESOcast Light" es una serie de vídeos cortos que pretende mostrar las maravillas del Universo en pequeñas piezas. Los episodios de ESOcast Light no reemplazan a los vídeos estándar y más largos de ESOcasts, sino que los complementan con noticias e imágenes actuales de astronomía en los comunicados de prensa de ESO.
Crédito:
ESO
Directed by: Herbert Zodet.
Editing: Herbert Zodet.
Web and technical support: Gurvan Bazin and Raquel Yumi Shida.
Written by: Vanessa Emeka-Okafor and Bárbara Ferreira.
Music: John Stanford – The Edge (johnstanfordmusic.com).
Footage and photos: ESO, L. Calçada, M. Kornmesser and Daniele Gasparri (www.astroatacama.com).
Scientific consultants: Paola Amico and Mariya Lyubenova.
Animación de una fusión de estrellas de neutrones y elementos formados durante el evento
Esta representación artística muestra dos estrellas de neutrones
pequeñas, pero muy densas, fusionándose y explotando como una kilonova.
Estos objetos son la principal fuente en el universo de elementos
químicos muy pesados, como el oro y el platino. La detección de uno de
estos elementos, el estroncio (Sr), se ha confirmado utilizando los
datos del instrumento X-shooter, instalado en el VLT (Very Large
Telescope) de ESO.
Crédito:
Crédito:
ESO/L. Calçada
Animación del espectro de la kilonova de NGC 4993
Esta animación se basa en una serie de espectros de la kilonova de
NGC 4993 observada por el instrumento X-shooter, instalado en el VLT
(Very Large Telescope) de ESO, en Chile. Cubren un período de 12 días
después de la explosión inicial del 17 de agosto de 2017. La kilonova es
muy azul al principio, pero luego brilla en rojos intensos y se
desvanece.
Crédito:
Crédito:
ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO/L. Calçada
Fuente: Observatorio Europeo Austral
Fuente: Observatorio Europeo Austral
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