09/12/2022

Descobriment del primer esclat llarg de raigs gamma provocat per una kilonova


Clic per engrandir. Recreació artística de la kilonova darrere de la font d'ones gravitatòries GW170817. Crèdit: Obra d'art: Elizabeth Wheatley (STScI)

Els esclats de raigs gamma són els fenòmens més intensos que es poden trobar a l'Univers. Aquests esclats d'energia poden ser més o menys llargs. Fins ara, els anomenats esclats "llargs" estaven associats a les hipernoves, aquestes morts d'estrelles molt massives. Però un nou estudi canvia la situació: aquest esclat de raigs gamma prové d'una fusió d'estrelles de neutrons, anomenada kilonova!

Esclats de raigs gamma: les col·lisions d'estrelles de neutrons il·luminen l'Univers  Els esclats de raigs gamma són els esdeveniments més lluminosos de l'Univers en el camp de les ones electromagnètiques. En podem observar una per dia de mitjana a la volta celeste i es produeixen en galàxies llunyanes. N'hi ha de dos tipus, curts i llargs. Aquest vídeo explica la naturalesa de les ràfegues curtes.

El desembre de 2021, els telescopis espacials Swift i Fermi de la NASA, van detectar una llarga explosió de raigs gamma. Anomenada GRB211211A, i d'una durada de 50 segons, pertany a les fonts nomenades "llargues". La seva font, situada a la galàxia SDSS J140910.47+275320.8, es troba a 1.100 milions d'anys llum de nosaltres, convertint-lo en un dels esclats de raigs gamma més propers mai observats!

El senyal complet es va poder capturar mitjançant l'Observatori Gemini, situat a Hawaii, per un equip d'astrònoms, detalls dels quals es van publicar a la revista Nature. No és estrany detectar un esclat llarg de raigs gamma, però, per primera vegada, aquest senyal s'associa amb una fusió d'estrelles de neutrons, anomenat kilonova!

La paraula "kilonova" es va establir l'any 2010, en referència a l'energia que alliberen aquestes col·lisions, més enèrgiques que les noves (aquestes estrelles que brillen intensament durant poc temps), però menys que la supernova (aquelles explosions d'estrelles massives), s'han atribuït kilonoves a fusions d'estrelles molt denses, però no massiva. O dues estrelles de neutrons, o una estrella de neutrons i un forat negre estel·lar. Aquests esdeveniments generen emissions electromagnètiques, suposadament especialment intenses i breus. D'aquí la sorpresa dels astrònoms davant GRB211211A!


Clic per engrandir. Recreació artística de l'esclat de raigs gamma GRB 080319B, tan intens que es podria haver vist breument a ull nu tot i haver-se produït a l'altra banda de l'Univers. Crèdit: ESO

Els esclats de raigs gamma es van descobrir per casualitat

També anomenat GRB, per Gamma Ray-Burst,  que literalment significa "esclat de raigs gamma", els esclats de raigs gamma es coneixen des del 1967, quan es va detectar el primer. En aquell moment, els satèl·lits equipats amb detectors gamma monitoritzaven les explosions atòmiques, que generaven llampecs de raigs gamma. El sorprenent descobriment no es va fer públic fins al 1973, quan es va donar el sobrenom d'esclat de raigs gamma  a aquest misteriós senyal.

Segueixen altres descobriments, i destaquen dues categories de ràfegues de raigs gamma: les curtes que no superen els 2 segons de durada, les emissions màximes de les quals es troben a una energia molt alta més enllà del MeV (megaelectronvolt), i les llargues que duren fins a uns quants minuts, amb un espectre energètic més aplanat, i un màxim al voltant del keV (kiloelectronvolt).

Des dels anys 2000, s'han identificat els orígens dels esclats de raigs gamma. En el cas dels esclats llargs de raigs gamma, la teoria és que provenen de la mort d'estrelles massives, anomenades supernoves. L'estrella al final de la seva vida, amb una massa superior a 10 masses solars, expulsa les seves capes superiors en una explosió violenta, mentre el seu nucli es contrau sobre si mateix per convertir-se en una estrella de neutrons o un forat negre. És en aquest darrer cas que es pot produir un esclat de raigs gamma.

En el cas dels esclats de raigs gamma curts, que solen durar unes dècimes de segon, el fenomen a l'origen seria una kilonova, una col·lisió entre dues estrelles de neutrons, o una estrella de neutrons i un forat negre. Aquests cataclismes també poden generar ones gravitatòries, i són capaços d'alliberar en menys de dos segons més energia que el Sol durant la seva vida!

Clic per engrandir. Recreació artística d'una col·lisió entre dues estrelles de neutrons. Crèdit: Mark Garlick, Universitat de Warwick

Les kilonoves poden contra tot pronòstic, ser la causa de breus esclats de raigs gamma!

Per tant, en teoria és possible distingir quin esdeveniment és a l'origen de cada esclat de raigs gamma, segons les característiques del senyal. Però problema, els astrònoms es van trobar aquesta vegada davant d'un senyal llarg, però corresponent a una kilonova!. “Hi ha molts objectes al nostre cel nocturn que s'esvaeixen ràpidament", va dir Wen-fai Fong, coautor de l'estudi i astrofísic de la Northwestern University, en un comunicat .

Imaginem una font en diferents filtres per obtenir informació sobre els seus colors, que ens ajuda a determinar la identitat de la font. En el nostre cas, el color vermell es va imposar i els colors més blaus es van esvair més ràpidament. Aquesta evolució és una signatura reveladora d'una kilonova, i les kilonoves només poden provenir de fusions d'estrelles de neutrons"

Una altra gran sorpresa: la galàxia amfitriona, de la qual prové el senyal, encara és jove i forma noves estrelles. En fort contrast amb NGC4993, la galàxia que allotja la primera fusió provada d'estrelles de neutrons, que correspon al senyal  GW170817. Descobert el 2017, és el primer senyal pel qual s'han detectat ones gravitatòries i electromagnètiques, confirmant la teoria que les kilonoves produeixen esclats de raigs gamma curts.


Clic per engrandir. El telescopi òptic ultraviolat de Swift va fotografiar la kilonova produïda per la fusió d'estrelles de neutrons a la galàxia NGC 4993 (caixa) el 18 d'agost de 2017, unes 15 hores després que es detectessin les ones gravitacionals i l'esclat de raigs gamma. Crèdit: Nasa/Swift

"Després de la detecció de GW170817 i la seva associació amb una galàxia hoste massiva, vermella i morta, molts astrònoms han suposat que els amfitrions d'estrelles de neutrons que es fusionen a l'univers s'assemblen molt a NGC4993", diu Anya Nugent, estudiant de postgrau a la Northwestern University i coautora de l'estudi. "Però aquesta galàxia és bastant jove, està formant estrelles activament i no és tan massiva. De fet, s'assembla més als amfitrions GRB curts que es veuen més a fons a l'Univers. Crec que això canvia la nostra visió dels tipus de galàxies que hem de vigilar quan busquem kilonoves properes".

Així, GRB211211A demostra no només que els esclats de raigs gamma llargs es poden originar a partir de kilonoves, sinó que es poden trobar en entorns molt diferents! "Aquest esdeveniment és diferent a tot el que hem vist abans d'un llarg esclat de raigs gamma", va dir entusiasmada Jillian Rastinejad, la primera autora de l'estudi, i astrofísica la Universitat Northwestern.

"Els seus raigs gamma s'assemblen als dels esclats produïts pels col·lapse d'estrelles massives. Com que totes les altres fusions d'estrelles de neutrons confirmades que hem observat han anat acompanyades d'esclats de menys de dos segons, teníem totes les raons per esperar que aquest GRB de 50 segons es creés pel col·lapse d'una estrella massiva. Aquest esdeveniment representa un canvi de paradigma emocionant per a l'astronomia d'explosió de raigs gamma".

Ho he vist aquí.