Exploración de una fábrica de metales pesados ​​a 900 millones de años luz de distancia

Utilizando múltiples observatorios, los astrónomos detectaron directamente telurio en dos estrellas de neutrones fusionadas.

Un inusual estallido de luz de alta energía en el cielo ha señalado a los astrónomos hacia un par de estrellas de neutrones que forman metales a 900 millones de años luz de la Tierra.

En un estudio publicado recientemente en naturalezaun equipo internacional de astrónomos, incluidos científicos de Instituto de Tecnología de MassachusettsLos informes indican el descubrimiento de una explosión de rayos gamma (GRB) extremadamente brillante, el tipo de explosión más poderosa conocida en el universo. Esta GRB es la segunda explosión más brillante detectada hasta ahora, y posteriormente los astrónomos han rastreado el origen de la explosión hasta dos estrellas de neutrones en fusión. Las estrellas de neutrones son núcleos ultradensos y colapsados ​​de estrellas masivas, y se cree que es donde se forman muchos de los metales pesados ​​del universo.

Evidencias de la presencia de metales pesados ​​en el espacio.

El equipo descubrió que cuando las estrellas orbitan entre sí y finalmente se fusionan, liberan una enorme cantidad de energía en forma de GRB. Al principio, los astrónomos detectaron directamente señales de metales pesados ​​en las estelas de las estrellas. Específicamente, captaron una señal clara de telurio, un elemento pesado y algo tóxico que es más raro que el platino en la Tierra, pero que se cree que abunda en todo el universo.

En el concepto de este artista, dos estrellas de neutrones comienzan a fusionarse, lanzando chorros de partículas de alta velocidad y produciendo una nube de escombros. Crédito: A. Simonet (Universidad Estatal de Sonoma) y el Centro de Vuelos Espaciales Goddard

Los astrónomos estiman que la fusión produjo suficiente telurio para igualar la masa de 300 planetas terrestres. Si existió telurio, la fusión debe haber producido otros elementos estrechamente relacionados, como el yodo, un nutriente mineral esencial para gran parte de la vida en la Tierra.

Esfuerzos astronómicos globales

El descubrimiento se realizó gracias al esfuerzo colectivo de astrónomos de todo el mundo, utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, así como otros telescopios terrestres y espaciales, incluido el satélite TESS de la NASA (una misión dirigida por el MIT) y el Very Large Telescope. (Telescopio muy grande). VLT) en Chile, que los científicos del MIT utilizaron para contribuir a este descubrimiento.

««Este descubrimiento es un gran paso adelante en nuestra comprensión de los sitios de formación de elementos pesados ​​en el universo y demuestra el poder de combinar observaciones en diferentes longitudes de onda para revelar nuevos conocimientos sobre estas explosiones extremadamente energéticas», dice el coautor del estudio Benjamin Schneider. , investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología del Centro Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.

Schneider es uno de varios investigadores de múltiples instituciones de todo el mundo que contribuyeron al estudio, dirigido por Andrew Levan de la Universidad Radboud en los Países Bajos y la Universidad Radboud en los Países Bajos. Universidad de Warwick en el Reino Unido.

«Todo a la vez»

La explosión inicial fue detectada el 7 de marzo de 2023 por NASAEl Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, y fue identificado como un estallido de rayos gamma excepcionalmente brillante, que los astrónomos denominaron GRB 230307A.

«Puede que sea difícil exagerar lo brillante que es», dice Michael Fosnow, que en ese momento era científico investigador en el MIT y ahora es profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Texas. “En la astronomía de rayos gamma normalmente se cuentan los fotones individuales, pero entraron tantos fotones que el detector no pudo distinguirlos. Era como si el disco hubiera llegado a su límite.

Una imagen JWST/NIRCam de GRB 230307A que muestra la kilonova asociada y su galaxia anfitriona. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

La explosión ultrabrillante también fue excepcionalmente larga: duró 200 segundos. Estrella neutrón Las fusiones suelen producir breves estallidos de rayos gamma que parpadean durante menos de dos segundos. El brillo brillante y duradero atrajo la atención inmediata de todo el mundo, mientras los astrónomos enfocaban una serie de otros telescopios hacia la explosión. Esta vez, el brillo de la explosión favoreció a los científicos, ya que los satélites de todo el sistema solar detectaron la llamarada de rayos gamma. Triangulando estas observaciones, los astrónomos pudieron localizar la ubicación de la explosión, en el cielo del sur, dentro de la constelación de Mensa.

En el MIT, Schneider y Fosnow se unieron a la investigación traslacional. Poco después del descubrimiento inicial de Fermi, Fosnow comprobó si la explosión había aparecido en los datos capturados por el Observatorio Fermi. macho cabrío El satélite, que apunta a la misma parte del cielo donde se descubrió inicialmente GRB 230307A. Fosnow volvió a esa parte de los datos de TESS y monitoreó la explosión, luego siguió su actividad de principio a fin.

«Pudimos ver todo a la vez», dice Fosnow. «Vimos un destello realmente brillante, seguido de una pequeña protuberancia o resplandor. Esa fue una curva de luz única. Sin TESS, sería casi imposible notar el destello óptico temprano que ocurre al mismo tiempo que los rayos gamma».

Mientras tanto, Schneider examinó la explosión con otro telescopio terrestre: Telescopio muy grande (VLT) en Chile. Como miembro del gran programa de observación de explosiones del GRB que trabaja en este telescopio, Schneider se encontraba en transición poco después de la observación inicial de Fermi y enfocó el telescopio hacia la explosión.

Las observaciones del VLT se hicieron eco de los datos del TESS y revelaron un patrón igualmente extraño: las emisiones de GRB parecen cambiar rápidamente de longitudes de onda azules a rojas. Este patrón es una característica de una kilonova, una explosión masiva que normalmente ocurre cuando dos estrellas de neutrones chocan. Los análisis del equipo del MIT, combinados con otras observaciones en todo el mundo, ayudaron a determinar que los GRB probablemente fueron producto de la fusión de dos estrellas de neutrones.

Seguimiento de la fusión de estrellas de neutrones

¿Dónde se originó la propia fusión? Por esta razón, los astrónomos recurrieron a la visión de campo profundo del JWST, que puede ver más lejos en el espacio que cualquier otro telescopio. Los astrónomos utilizaron el telescopio espacial James Webb para observar GRB 230307A, con la esperanza de identificar la galaxia anfitriona de la que se originaron las estrellas de neutrones. Las imágenes del telescopio revelaron, extrañamente, que los GRB no parecen estar vinculados a ninguna galaxia anfitriona. Pero parece haber una galaxia cercana a unos 120.000 años luz de distancia.

Las observaciones del telescopio indican que las estrellas de neutrones fueron expulsadas de la galaxia cercana. Probablemente se formaron como un par de estrellas masivas en un sistema binario. Finalmente, ambas estrellas colapsaron en estrellas de neutrones, en poderosos eventos que «expulsaron» al dúo de su galaxia de origen, lo que los hizo escapar a una nueva ubicación donde lentamente orbitaron entre sí y se fusionaron, varios cientos de millones de años después.

En medio de las emisiones energéticas de la fusión, el telescopio espacial James Webb también detectó una clara señal de telurio. Si bien la mayoría de las estrellas pueden producir elementos tan ligeros como el hierro, se cree que todos los demás elementos más pesados ​​del universo se formaron en entornos más extremos, como las fusiones de estrellas de neutrones. El descubrimiento de telurio por parte del telescopio espacial James Webb también confirmó que el estallido inicial de rayos gamma fue el resultado de la fusión de una estrella de neutrones.

«Para JWST, esto es sólo el comienzo y ya ha marcado una gran diferencia», afirma Schneider. «En los próximos años se descubrirán más fusiones de estrellas de neutrones. La combinación del Telescopio Espacial James Webb y otros potentes observatorios será crucial para arrojar luz sobre la naturaleza de estas intensas explosiones».

Para obtener más información sobre esta investigación, consulte:

Referencia: “Producción de elementos pesados ​​en fusiones de cuerpos compactos observadas por el telescopio espacial James Webb” por Andrew Levan, Benjamin B. Gompertz, Om Charan-Silvia, Mattia Paula, Eric Burns, Kenta Hotokizaka, Luca Izzo, Gavin B. Cordero, Daniel B. Malesani, Samantha R. Oates, Maria Edvig Ravasio, Alicia Rocco Escorial, Benjamin Schneider, Nikhil Sareen, Steve Schulz, Niall R. Tanveer, Kendall Ackley, Gemma Anderson, Gabrielle B. Brammer, Liz Christensen, Vikram S. Dillon, Phil A. Evans, Michael Fosnow, Wen Fei Fung, Andrew S. Fruchter, Chris Fryer, Johan Bo-Fenbo, Nicola Gasparri, Kasper E. Heintz, Jens Hayworth, Jimmy A. Kenia, Mark R. Kennedy, Tanmoi Laskar, Giorgos Liloudas, Ilya Mandel, Antonio Martin Carrillo, Brian D. Metzger, Matt Nicholl, Anya Nugent, Jessie T. Palmerio, Giovanna Pugliese, Gillian Rastinejad, Lauren Rhodes, Andrea Rossi, Andrea Saccardi, Steven J. Smart, Heloise F. Stephans, Aaron Thovavoho, Alexander van der Horst, Susanna D. Virjani, Darach Watson, Thomas Barclay, Cornbub Perumbakdi, Elmi Breidt, Alice A. Brefield, Alejandro J. Brown, Sergio Campana, Ashley A. Krems, Paolo D’Avanzo, Valerio D’Elia, Massimiliano Di Pasquale, Martin J. Dyer, Duncan K. Galloway, James A. Garbutt, Mateo J. Verde, Dieter H. Hartmann, Pal Jacobson, Paul Kerry, Chrissa Covelotto, Daniel Langerode, Aymeric Le Floquet, James K. Leong, Stuart B. Littlefair, James Munday, Paul O’Brien, Stephen J. Parsons, Ingrid Bellisoli, David I. Sahman, Rubén Salvaterra, Boris Sparovati, Danny Stigs, Gianpiero Tagliaferri, Cristina C. Thon, Antonio de Ugarte Postigo y David Alexander Kahn, 25 de octubre de 2023, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06759-1