Webb realiza la primera detección de elementos pesados provenientes de la fusión de estrellas

Esta imagen del instrumento NIRCam (Cámara de Infrarrojo Cercano) del Telescopio Espacial James Webb de la NASA destaca el Estallido de Rayos Gamma (ERG) 230307A y su kilonova asociada, así como su antigua galaxia de origen, en su entorno local de otras galaxias y estrellas en primer plano. El ERG probablemente fue impulsado por la fusión de dos estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones fueron expulsadas de su galaxia de origen y recorrieron una distancia de aproximadamente 120.000 años luz, aproximadamente el diámetro de la Vía Láctea, antes de fusionarse finalmente varios cientos de millones de años después. Image Credits: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University and University of Warwick).

Un equipo de científicos ha utilizado múltiples telescopios espaciales y terrestres, incluido el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA y el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA, para observar un estallido de rayos gamma excepcionalmente brillante, GRB 230307A, e identificar la fusión de estrellas de neutrones que generó la explosión que creó el estallido. Webb también ayudó a los científicos a detectar el elemento químico telurio después de la explosión.

Es probable que también estén presentes entre el material expulsado de la kilonova otros elementos cercanos al telurio en la tabla periódica, como el yodo, necesario para gran parte de la vida en la Tierra. Una kilonova es una explosión producida por la fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro o con otra estrella de neutrones.

"Hace poco más de 150 años desde que Dmitri Mendeleev escribió la tabla periódica de elementos, y ahora finalmente estamos en condiciones de comenzar a llenar esos últimos espacios en blanco para comprender dónde se originó todo, gracias a Webb", dijo Andrew Levan de la Universidad de Radboud en el Países Bajos y la Universidad de Warwick en el Reino Unido, autor principal del estudio.

Si bien durante mucho tiempo se ha teorizado que las fusiones de estrellas de neutrones son las “ollas a presión” ideales para crear algunos de los elementos más raros y sustancialmente más pesados que el hierro, los astrónomos se han encontrado anteriormente con algunos obstáculos para obtener pruebas sólidas.

Las kilonovas son extremadamente raras, lo que dificulta la observación de estos eventos. Los estallidos cortos de rayos gamma (GRB), tradicionalmente considerados aquellos que duran menos de dos segundos, pueden ser subproductos de estos infrecuentes episodios de fusiones. (Por el contrario, las explosiones largas de rayos gamma pueden durar varios minutos y suelen estar asociadas con la muerte explosiva de una estrella masiva).

El caso de GRB 230307A es particularmente destacable. Detectado por primera vez por Fermi en marzo, es el segundo GRB más brillante observado en más de 50 años de observaciones, aproximadamente 1.000 veces más brillante que un típico estallido de rayos gamma que observa Fermi. También duró 200 segundos, lo que lo sitúa firmemente en la categoría de estallidos de rayos gamma de larga duración, a pesar de su origen diferente.

“Este estallido entra en la categoría de larga duración. No está cerca del límite. Pero parece provenir de una estrella de neutrones en fusión”, añadió Eric Burns, coautor del artículo y miembro del equipo Fermi de la Universidad Estatal de Luisiana.

La colaboración de muchos telescopios terrestres y espaciales permitió a los científicos recopilar una gran cantidad de información sobre este evento tan pronto como se detectó la explosión por primera vez. Es un ejemplo de cómo los satélites y los telescopios trabajan juntos para presenciar los cambios en el universo a medida que se desarrollan.

Después de la primera detección, se puso en marcha una serie intensiva de observaciones desde la Tierra y desde el espacio, incluso con Swift, para localizar la fuente en el cielo y rastrear cómo cambiaba su brillo. Estas observaciones en rayos gamma, rayos X, ópticos, infrarrojos y de radio mostraron que la contraparte óptica/infrarroja era débil, evolucionó rápidamente y se volvió muy roja: las características distintivas de una kilonova.

"Este tipo de explosión es muy rápida y el material de la explosión también se expande rápidamente", dijo Om Sharan Salafia, coautor del estudio en el INAF – Observatorio Astronómico de Brera en Italia. "A medida que toda la nube se expande, el material se enfría rápidamente y el pico de su luz se vuelve visible en infrarrojos y se vuelve más rojo en escalas de tiempo de días a semanas".

En épocas posteriores habría sido imposible estudiar esta kilonova desde la Tierra, pero estas eran las condiciones perfectas para que los instrumentos NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) y NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb observaran este entorno tumultuoso. El espectro tiene líneas amplias que muestran que el material es expulsado a altas velocidades, pero una característica es clara: la luz emitida por el telurio, un elemento más raro que el platino en la Tierra.

Las capacidades infrarrojas altamente sensibles de Webb ayudaron a los científicos a identificar la dirección de las dos estrellas de neutrones que crearon la kilonova: una galaxia espiral a unos 120.000 años luz de distancia del lugar de la fusión.

Antes de su aventura, alguna vez fueron dos estrellas masivas normales que formaron un sistema binario en su galaxia espiral de origen. Dado que el dúo estaba unido gravitacionalmente, ambas estrellas fueron lanzadas juntas en dos ocasiones distintas: cuando una de las dos explotó como una supernova y se convirtió en una estrella de neutrones, y cuando la otra estrella hizo lo mismo.

En este caso, las estrellas de neutrones permanecieron como un sistema binario a pesar de dos sacudidas explosivas y fueron expulsadas de su galaxia de origen. La pareja viajó aproximadamente el equivalente al diámetro de la Vía Láctea antes de fusionarse varios cientos de millones de años después.

Los científicos esperan encontrar aún más kilonovas en el futuro debido a las crecientes oportunidades de que los telescopios espaciales y terrestres trabajen de manera complementaria para estudiar los cambios en el universo. Por ejemplo, aunque Webb puede observar más profundamente en el espacio que nunca, el notable campo de visión del próximo Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA permitirá a los astrónomos explorar dónde y con qué frecuencia ocurren estas explosiones.

"Webb proporciona un impulso fenomenal y puede encontrar elementos aún más pesados", dijo Ben Gompertz, coautor del estudio de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido. “A medida que obtengamos observaciones más frecuentes, los modelos mejorarán y el espectro podrá evolucionar más con el tiempo. Sin duda, Webb ha abierto la puerta para hacer mucho más, y sus capacidades serán completamente transformadoras para nuestra comprensión del universo”.

Fuente: NASANET