Estrellas de neutrones colisionando dispararon un chorro de luz a través del espacio

Cuando un par de núcleos ultradensos de estrellas muertas se estrellaron entre sí, la colisión disparó un brillante chorro de partículas subatómicas cargadas a través del espacio.

Los astrónomos pensaron que ningún avión de este tipo había salido de los restos del accidente de la estrella de neutrones, detectado por primera vez en agosto de 2017. Pero nuevas observaciones del lugar del accidente usando una red de radiotelescopios de todo el mundo muestran que una corriente de partículas de alta velocidad sí escapó de los escombros, informan los investigadores en línea el 21 de febrero en Science.

El trabajo es parte de un consenso emergente entre los científicos de que la fusión realmente produjo un chorro, y podría arrojar luz sobre los orígenes de los misteriosos destellos de luz de alta energía llamados estallidos cortos de rayos gamma.

Según la teoría, un par de estrellas de neutrones que se estrellan deberían fundirse en otro objeto denso, posiblemente un agujero negro. En el proceso, una combinación de energías extremas y campos magnéticos podría lanzar un brillante chorro de electrones y protones moviéndose cerca de la velocidad de la luz. Los investigadores piensan que tales chorros son vistos desde lejos como ráfagas cortas de rayos gamma, o GRBs. Pero nadie ha observado nunca directamente una colisión de estrellas de neutrones produciendo las explosiones.

El accidente de la estrella de neutrones de 2017 -la primera vez que los científicos observaron directamente tal fusión- proporcionó la primera oportunidad de probar la idea, dice el coautor del estudio y astrofísico Giancarlo Ghirlanda del Instituto Nacional de Astrofísica de Merate, Italia. Esa fusión fue recogida cuando el Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o LIGO, y su experimento hermano, Advanced Virgo, detectaron ondulaciones en el espaciotiempo llamadas ondas gravitacionales causadas por el choque.

Las detecciones previas de ondas gravitacionales implicaban la colisión de agujeros negros, que no emitían ninguna luz observable. Pero el choque de estrellas de neutrones brillaba en cada longitud de onda de luz que los astrónomos comprobaban, desde ondas de radio largas hasta rayos gamma cortos (SN: 11/11/17, p. 6). Esas observaciones adicionales permiten a los astrónomos descubrir los detalles del choque y sus secuelas.

Pero, cuando los científicos buscaron emisiones de rayos gamma similares a las de los aviones de la fusión, al principio no encontraron ninguna. Los rayos gamma fueron emitidos después del choque, pero eran mucho más tenues de lo que se esperaba de un PSG. Y la luz permaneció más tiempo de lo esperado, continuando brillando en las ondas de radio durante más de 100 días después de la colisión.

Esas observaciones llevaron al astrofísico Kunal Mooley de Caltech y sus colegas a sugerir que se formó un chorro, pero que fue asfixiado por una burbuja de material rico en neutrones que fue expulsado del accidente de la estrella de neutrones (SN Online: 12/20/17). Esa burbuja absorbió la energía del chorro, dando a la burbuja un brillo duradero pero sofocando al propio chorro.

En el nuevo estudio, Ghirlanda y sus colegas informan sobre señales de que el avión finalmente se liberó del capullo. El equipo observó el lugar del accidente con 32 radiotelescopios en todo el mundo a mediados de marzo de 2018, unos 207 días después de la fusión. Los investigadores combinaron las señales de todos los telescopios para actuar juntos como un solo y gigantesco telescopio, permitiendo al equipo acercarse a la escena.

Un chorro ahogado que perdió toda su energía en una burbuja rica en neutrones aparecería como una esfera relativamente grande en el cielo. Pero Ghiarlanda y sus colegas vieron una fuente de luz diminuta y compacta que cubría 1,5 milisegundos de cielo, aproximadamente del tamaño de un níquel visto a 1.000 kilómetros de distancia. Esa luz sugiere que «se lanzó un avión y salió con éxito», dice Ghirlanda.

Lo que es más, a diferencia de los GRBs cortos previamente vistos cuyos chorros apuntan directamente a la Tierra, el chorro de la colisión de estrellas de neutrones se está moviendo hacia la Tierra, pero con 20 grados de inclinación hacia un lado, calculó el equipo de Ghirlanda.

«Es la primera vez en la historia que observamos un chorro que no apunta hacia la Tierra», dice el astrofísico Om Sharan Salafia, también del Instituto Nacional de Astrofísica. Esto significa que el chorro tiene una estructura observable, con partículas que se mueven más rápido en un núcleo central y partículas más lentas hacia los bordes, como una especie de manguera contra incendios rodeada de rocío.

Otros dos estudios recientes también han sugerido que la fusión de estrellas de neutrones disparó un jet a través del espacio. Mooley y sus colegas utilizaron tres observatorios de radio diferentes para comprobar la fusión de estrellas de neutrones entre 75 y 230 días después del accidente. En septiembre de 2018, los investigadores reportaron que habían observado un chorro que se movía a la velocidad de la luz lejos del lugar del choque.

Y la forma en que la luz de la fusión comenzó a oscurecerse rápidamente 150 días después de la colisión también apoya la idea de que un chorro irrumpió a la vista y luego se desvaneció, dice el astrofísico Wen-fai Fong de la Universidad de Northwestern en Evanston, Illinois Si la oscurecimiento hubiera sido más gradual, habría sugerido que el chorro aún estaba atrapado en el capullo al enfriarse. El equipo de Fong reportó observaciones de la fusión hasta 290 días después del accidente en agosto de 2018 en las cartas del Astrophysical Journal Letters, y ha continuado observando el sitio desde entonces.

«Es sorprendente que la comunidad astronómica esté usando todas estas técnicas diferentes para llegar a la misma conclusión», dice Fong.

El hecho de que la primera fusión de estrellas de neutrones haya producido un jet como el que se espera de los PSG cortos es una buena noticia para las teorías de PSG, dice Fong. «Si esta fusión de estrellas de neutrones no produjera un jet exitoso, tendríamos que decir, bueno, ¿qué son los GRBs cortos? «Estábamos un poco preocupados de tener que explicar los PSG cortos como un fenómeno totalmente diferente.»

Para saber qué tan comunes son los chorros en los choques de estrellas de neutrones, los astrónomos tendrán que observar más de estas colisiones. Y puede que no tengan que esperar mucho tiempo: las próximas corridas de observación de LIGO y Virgo comienzan en unas cinco semanas. «Todos estamos muy entusiasmados con lo que nos depara el futuro», dice Fong.