Webb detecta elements pesats en la fusió d'estrelles

Clic a la imatge per engrandir.  Aquesta imatge de l'instrument NIRCam (Càmera d'Infraroig Proper) del Telescopi Espacial James Webb de la NASA destaca l'Esclat de Raigs Gamma (ERG) 230307A i la seva kilonova associada, així com la seva antiga galàxia d'origen, al seu entorn local d'altres galàxies i estrelles en primer pla. L'ERG probablement va ser impulsat per la fusió de dues estrelles de neutrons. Les estrelles de neutrons van ser expulsades de la seva galàxia d'origen i van recórrer una distància d'aproximadament 120.000 anys llum, aproximadament el diàmetre de la Via Làctia, abans de fusionar-se finalment centenars de milions d'anys després. Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University and University of Warwick).

Un equip de científics ha utilitzat múltiples telescopis espacials i terrestres, inclòs el Telescopi Espacial James Webb, el Telescopi Espacial de Raigs Gamma Fermi i l'Observatori Neil Gehrels Swift de la NASA, per observar un esclat de raigs gamma excepcionalment brillant, GRB 230307A, identificar la fusió d'estrelles de neutrons que va generar l'explosió que va crear l'esclat. Webb també va ajudar els científics a detectar l'element químic tel·luri després de l'explosió.

És probable que també estiguin presents entre el material expulsat de la kilonova altres elements propers al tel·luri a la taula periòdica, com el iode, necessari per a gran part de la vida a la Terra. Una kilonova és una explosió produïda per la fusió d'un estel de neutrons amb un forat negre o amb un altre estel de neutrons.

"Fa poc més de 150 anys des que Dmitri Mendeleiev va escriure la taula periòdica d'elements, i ara finalment estem en condicions de començar a omplir aquests últims espais en blanc per comprendre on es va originar tot, gràcies al Webb", va dir Andrew Levan de la Universitat de Radboud al Països Baixos i la Universitat de Warwick al Regne Unit, autor principal de l'estudi.

Si bé durant molt de temps s'ha teoritzat que les fusions d'estrelles de neutrons són les “olles de pressió” ideals per crear alguns dels elements més rars i substancialment més pesats que el ferro, els astrònoms s'han trobat anteriorment amb alguns obstacles per obtenir proves sòlides.

Les kilonoves són extremadament rares, cosa que dificulta l'observació d'aquests esdeveniments. Els esclats curts de raigs gamma (GRB), tradicionalment considerats aquells que duren menys de dos segons, poden ser subproductes d'aquests infreqüents episodis de fusions. (Al contrari, les explosions llargues de raigs gamma poden durar uns quants minuts i solen estar associades amb la mort explosiva d'una estrella massiva).

El cas de GRB 230307A és particularment destacable. Detectat per primera vegada per Fermi al març, és el segon GRB més brillant observat en més de 50 anys d'observacions, aproximadament 1.000 vegades més brillant que un esclat típic de raigs gamma que observa Fermi. També va durar 200 segons, cosa que el situa fermament en la categoria d'esclats de raigs gamma de llarga durada, malgrat el seu origen diferent.

“Aquest esclat entra a la categoria de llarga durada. No és a prop del límit. Però sembla que prové d'una estrella de neutrons en fusió”, va afegir Eric Burns, coautor de l'article i membre de l'equip Fermi de la Universitat Estatal de Louisiana.

La col·laboració de molts telescopis terrestres i espacials va permetre als científics recopilar una gran quantitat d'informació sobre aquest esdeveniment tan bon punt es va detectar l'explosió per primera vegada. És un exemple de com els satèl·lits i els telescopis treballen junts per presenciar els canvis a l'univers a mesura que es desenvolupen. Després de la primera detecció, es va posar en marxa una sèrie intensiva d'observacions des de la Terra i des de l'espai, fins i tot amb Swift, per localitzar la font al cel i rastrejar com canviava la brillantor. Aquestes observacions en raigs gamma, raigs X, òptics, infrarojos i de ràdio van mostrar que la contrapart òptica/infraroja era feble, va evolucionar ràpidament i es va tornar molt vermella: les característiques distintives d'una kilonova.

"Aquest tipus d'explosió és molt ràpida i el material de l'explosió també s'expandeix ràpidament", explica Om Sharan Salafia, coautor de l'estudi a l'INAF (Observatori Astronòmic de Brera) a Itàlia. "A mesura que tot el núvol s'expandeix, el material es refreda ràpidament i el pic de la seva llum es torna visible en infrarojos i es torna més vermell en escales de temps de dies a setmanes".

En èpoques posteriors hauria estat impossible estudiar aquesta kilonova des de la Terra, però aquestes eren les condicions perfectes perquè els instruments NIRCam (càmera d'infraroig proper) i NIRSpec (espectrògraf d'infraroig proper) del Webb observessin aquest entorn tumultuós. L'espectre té línies àmplies que mostren que el material és expulsat a altes velocitats, però una característica és clara: la llum emesa pel tel·luri, un element més rar que el platí a la Terra. Les capacitats infraroges altament sensibles del Webb van ajudar els científics a identificar la direcció de les dues estrelles de neutrons que van crear la kilonova: una galàxia espiral a uns 120.000 anys llum de distància del lloc de la fusió.

Abans de la seva aventura, alguna vegada van ser dues estrelles massives normals que van formar un sistema binari a la seva galàxia espiral d'origen. Atès que el duo estava unit gravitacionalment, les dues estrelles van ser llançades juntes en dues ocasions diferents: quan una de les dues va explotar com una supernova i es va convertir en una estrella de neutrons, i quan l'altra estrella va fer el mateix.

En aquest cas, les estrelles de neutrons van romandre com un sistema binari malgrat dues sacsejades explosives i van ser expulsades de la seva galàxia d'origen. La parella va viatjar aproximadament a l'equivalent al diàmetre de la Via Làctia abans de fusionar-se diversos centenars de milions d'anys després.

Els científics esperen trobar encara més kilonoves en el futur a causa de les creixents oportunitats que els telescopis espacials i terrestres treballin de manera complementària per estudiar els canvis a l'univers. Per exemple, encara que Webb pot observar més profundament a l'espai que mai, el notable camp de visió del proper Telescopi Espacial Nancy Grace Roman de la NASA permetrà als astrònoms explorar on i amb quina freqüència tenen lloc aquestes explosions.

"Webb proporciona un impuls fenomenal i pot trobar elements encara més pesats", va dir Ben Gompertz, coautor de l'estudi de la Universitat de Birmingham al Regne Unit. “A mesura que obtinguem observacions més freqüents, els models milloraran i l'espectre podrà evolucionar més amb el temps. Sens dubte, Webb ha obert la porta per fer-ne molt més, i les seves capacitats seran completament transformadores per a la nostra comprensió de l'univers”.

Espectre d'emissió de kilonova

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta presentació gràfica compara les dades espectrals de la kilonova del GRB 230307A observades pel telescopi espacial James Webb i un model de kilonova. Tots dos mostren un pic distintiu a la regió de l'espectre associada amb el tel·luri, amb l'àrea ombrejada en vermell. La detecció de tel·luri, més rar que el platí a la Terra, suposa la primera observació directa d'un element pesat individual d'una kilonova. Crèdit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
 
Tot i que els astrònoms han teoritzat que les fusions d'estrelles de neutrons són l'entorn ideal per crear elements químics, inclosos alguns essencials per a la vida, aquests esdeveniments explosius -coneguts com a kilonoves- són rars i ràpids. L'espectrògraf NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) del Webb va adquirir un espectre de la kilonova de GRB 230307A, ajudant els científics a obtenir proves de la síntesi d'elements pesants a partir de fusions d'estrelles de neutrons.

Amb l'extraordinària capacitat del Webb per mirar més lluny a l'espai que mai, els astrònoms esperen trobar encara més kilonoves i adquirir més proves de la creació d'elements pesants.

Kilonova i galàxia amfitriona

Clic a la imatge per engrandir. Galàxies brillants i altres fonts de llum de diferents mides i formes es troben disperses per una franja negra de l'espai: petits punts, taques el·líptiques amb halos i taques en forma d'espiral. El color dels objectes varia: blanc, blanc blavós, blanc groguenc i vermell ataronjat. Cap al centre a la dreta es veu de front una galàxia espiral blanca blavosa més gran que les altres fonts lluminoses de la imatge. La galàxia està etiquetada com a "antiga galàxia d'origen". Cap a la part superior esquerra hi ha un petit punt vermell, que té un cercle blanc al seu voltant i està etiquetat com a "GRB 230307A kilonova". Crèdits: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (IMAPP, Warw), A. Pagan (STScI)

Aquesta imatge de l'instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) del telescopi Webb mostra la kilonova GRB 230307A i la seva antiga galàxia d'origen en un entorn local d'altres galàxies i estels en primer pla. Les estrelles de neutrons van ser expulsades de la seva galàxia d'origen i van recórrer una distància d'uns 120.000 anys llum, aproximadament el diàmetre de la Via Làctia, abans de fusionar-se finalment diversos centenars de milions d'anys després.

Aquesta imatge és una composició de diverses exposicions adquirides pel telescopi espacial James Webb amb l'instrument NIRCam. Es van utilitzar diversos filtres per mostrar una àmplia gamma de longituds d'ona. El color és assignar diferents tons (colors) a cada imatge monocromàtica (escala de grisos) associada a un filtre individual. En aquest cas, els colors assignats són Blau: F115W + F150W Verd: F277W Vermell: F356W + F444W.

Ho he vist aquí i aquí.