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.

Descobert un inesperat quàsar doble

Clic a l'imatge per engrandir. Aquesta recreació artística mostra la resplendor brillant de dos quàsars que resideixen als nuclis de dues galàxies que es troben en un caòtic procés de fusió. L'estira-i-arronsa gravitatori entre les dues galàxies desencadena una tempesta d'estrelles. Els quàsars són fars brillants de llum intensa procedents dels centres de galàxies llunyanes. Estan alimentats per forats negres supermassius que s'alimenten voraçment de la matèria que els arriba. Aquest frenesí alimentari provoca un torrent de radiació que pot eclipsar la llum col·lectiva de milers de milions d'estrelles de la galàxia amfitriona. En unes desenes de milions d'anys, els forats negres i les seves galàxies es fusionaran, igual que la parella de quàsars, i formaran un forat negre encara més massiu. Crèdit: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

Un parell de galàxies en fusió encenen forats negres en curs de col·lisió

Els quàsars són un dels focs artificials més brillants de l'univers. Dispersos per tot el cel, brillen amb l'opulència de més de 100.000 milions d'estrelles. I, com una brillant flamarada aèria de la nit de cap d'any, enlluernen durant un temps relativament breu, en escales de temps còsmiques. Això és degut a que són alimentats per voraços forats negres supermassius que engoleixen una gran quantitat de gas i pols que s'escalfa a altes temperatures. Però el bufet lliure de menjar dels quàsars té una durada limitada.

Aquesta característica fugaç dels quàsars va ajudar els astrònoms a trobar dos quàsars en curs de col·lisió entre si. Estan incrustats dins d'un parell de galàxies que van xocar entre elles fa 10.000 milions d'anys. És rar trobar un duet tan dinàmic a l'Univers llunyà. Aquesta detecció ens dóna pistes sobre com era d'inestable el cosmos fa molt de temps, quan les galàxies col·lisionaven amb més freqüència i els forats negres s'omplien de restes d'aquestes topades.

Com que els dos quàsars parpellegen a ritmes diferents a mesura que el flux de combustible augmenta i disminueix, es van identificar com una activitat inusual que passa a l'espai. El Hubble va ampliar la imatge i va resoldre clarament la parella, així com les seves galàxies amfitriones.

Clic a l'imatge per engrandir. Fotografia del telescopi espacial Hubble d'un parell de quàsars que existien quan l'univers només tenia 3.000 milions d'anys. Estan incrustats dins un parell de galàxies en col·lisió. Els quàsars estan separats per menys de la mida d'una galàxia. Els quàsars s'alimenten de voraços forats negres supermassius que llancen ferotges raigs d'energia mentre s'esmollen de gas, pols i qualsevol altra cosa que caigui a les urpes gravitatòries. Els forats negres acabaran fusionant-se. Crèdits: NASA, ESA, Yu-Ching Chen (UIUC), Hsiang-Chih Hwang (IAS), Nadia Zakamska (JHU), Yue Shen (UIUC).

El telescopi espacial Hubble troba inesperadament un quàsar doble en un univers llunyà

L'Univers primitiu era un lloc esvalotat on les galàxies sovint xocaven entre si i fins i tot es fusionaven. Utilitzant el telescopi espacial Hubble de la NASA i altres observatoris espacials i terrestres, els astrònoms que investiguen aquests esdeveniments han fet un descobriment inesperat i poc comú: un parell de quàsars lligats gravitacionalment, tots dos cremant a l'interior de dues galàxies en fusió. Ja existien quan l'univers només tenia 3.000 milions d'anys.

"No veiem gaires quàsars dobles en una època tan primerenca de l'Univers. Per això aquest descobriment és tan emocionant", afirma Yu-Ching Chen, estudiant de postgrau de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign i autor principal d'aquest estudi.

La recerca de quàsars binaris propers és un camp de recerca relativament nou que s'acaba de desenvolupar en els darrers 10 o 15 anys. Els nous i potents observatoris actuals han permès als astrònoms identificar casos en què dos quàsars estan actius alhora i prou a prop com per acabar fusionant-se.

Cada cop hi ha més evidències que les grans galàxies es formen mitjançant fusions. Els sistemes més petits s'uneixen per formar sistemes més grans i estructures cada cop més grans. Durant aquest procés s'haurien de formar parells de forats negres supermassius dins de les galàxies que es fusionen. "Conèixer la població progenitora de forats negres ens acabarà informant sobre l'aparició de forats negres supermassius a l'univers primitiu i sobre la freqüència que podrien tenir aquestes fusions", afirma Chen.

Clic a l'imatge per engrandir. Aquesta imatge mostra una fotografia del telescopi espacial Hubble d'un parell de quàsars que existien quan l'univers només tenia 3.000 milions d'anys. Estan incrustats dins un parell de galàxies en col·lisió. Els quàsars estan separats per menys de la mida duna sola galàxia. Els forats negres acabaran fusionant-se. Crèdits: NASA, ESA, Yu-Ching Chen (UIUC), Hsiang-Chih Hwang (IAS), Nadia Zakamska (JHU), Yue Shen (UIUC).

"Estem començant a revelar aquesta punta de l'iceberg de la població de quàsars binaris primitius", afirma Xin Liu, de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign. "Aquesta és la singularitat d'aquest estudi. Ens diu realment que aquesta població existeix, i ara tenim un mètode per identificar quàsars dobles que estan separats per menys de la mida d'una sola galàxia".

Va ser com trobar una agulla en un paller que va requerir la potència combinada del telescopi espacial Hubble de la NASA i dels observatoris W.M. Keck de Hawaii. Les observacions en múltiples longituds d'ona de l'Observatori Internacional Gemini de Hawaii, el Karl G. Jansky Very Large Array de la NSF a Nou Mèxic i l'Observatori de Raigs X Chandra de la NASA també van contribuir a comprendre el duo dinàmic. A més, l'observatori espacial GAIA de l'ESA (Agència Espacial Europea) va ajudar a identificar aquest quàsar doble.

"La sensibilitat i resolució del Hubble van proporcionar imatges que ens permeten descartar altres possibilitats pel que estem veient", va dir Chen. El Hubble mostra, de manera inequívoca, que és un autèntic parell de forats negres supermassius, i no de dues imatges del mateix quàsar creades per una lent gravitacional en primer pla. A més, el Hubble mostra un fenomen de marea provocat per la fusió de dues galàxies, en què la gravetat distorsiona la forma de les galàxies formant dues cues d'estrelles.

Tot i això, la nítida resolució del Hubble per si sola no és suficient per anar a buscar aquestes balises de doble llum. Els investigadors van recórrer a GAIA, que es va llançar el 2013, per localitzar possibles candidats a quàsar doble. GAIA mesura amb gran precisió les posicions, distàncies i moviments dels objectes celestes propers. Però, gràcies a una nova tècnica, es pot utilitzar per explorar l'univers llunyà. L'enorme base de dades de GAIA es pot utilitzar per buscar quàsars que imitin el moviment aparent d'estrelles properes. Els quàsars apareixen com a objectes individuals a les dades de GAIA perquè estan molt a prop els uns dels altres. Tot i això, GAIA pot captar un "moviment" subtil i inesperat que imita un canvi aparent en la posició d'alguns dels quàsars que observa.

En realitat, els quàsars no es mouen per l'espai de manera mesurable. En canvi, el seu moviment podria ser degut a fluctuacions aleatòries de la llum, ja que la brillantor de cada membre de la parella de quàsars varia en escales de temps de dies a mesos, depenent de l'horari d'alimentació del forat negre. Aquesta alternança de brillantor entre la parella de quàsars és semblant a veure a distància el senyal d'una cruïlla de ferrocarril. Com que els llums a banda i banda del senyal fix parpellegen alternativament, el senyal dóna la il·lusió de "sacsejar-se".

Un altre problema és que, pel fet que la gravetat deforma l'espai com un mirall, una galàxia en primer pla podria dividir en dos la imatge d'un quàsar llunyà, creant la il·lusió que en realitat es tracta d'un parell binari. Es va utilitzar el telescopi Keck per assegurar-se que no hi havia cap galàxia que servís de lent entre nosaltres i el suposat quàsar doble.

Com que el Hubble treu el cap al passat llunyà, aquest quàsar doble ja no existeix. Al llarg dels 10.000 milions d'anys transcorreguts, és probable que les seves galàxies amfitriones s'hagin assentat en una galàxia el·líptica gegant, com les que es veuen avui a l'univers local. I els quàsars s'han fusionat per convertir-se en un forat negre supermassiu gegantí al seu centre. La galàxia el·líptica geganta propera, M87, té un monstruós forat negre que pesa 6.500 milions de vegades la massa del nostre Sol. Potser aquest forat negre va sorgir d'una o diverses fusions de galàxies en els darrers milers de milions d'anys.

El proper telescopi espacial Nancy Grace Roman de la NASA, amb la mateixa agudesa visual que el Hubble, és ideal per a la caça de quàsars binaris. El Hubble s'ha fet servir per prendre minuciosament dades d'objectius individuals. Però la visió infraroja de l'Univers que ofereix Roman, de gran angular, és 200 vegades més gran que la del Hubble. "Molts quàsars podrien ser sistemes binaris. El telescopi Roman pot millorar enormement aquest camp de recerca", afirma Liu.

Els resultats van ser publicats el 5 d'abril a la revista Nature.

El telescopi espacial Hubble és un projecte de cooperació internacional entre la NASA i l'ESA. El Centre Goddard de Vols Espacials de la NASA a Greenbelt, Maryland, gestiona el telescopi. L'Institut Científic del Telescopi Espacial (STScI), a Baltimore (Maryland), duu a terme les operacions científiques del Hubble i del Webb. El STScI és operat per a la NASA per l'Associació d'Universitats per a la Investigació en Astronomia, a Washington, D.C.

Ho he vist aquí.