Una extraña kilonova cambia lo que sabemos sobre los potentes estallidos en el universo

Las explosiones de rayos gamma (GRB) son los fenómenos más energéticos del universo, detectables incluso si se producen en galaxias a miles de millones de años luz.

El descubrimiento de la explosión de rayos gamma GRB211211A revela que algunas GRB largas como esta (dura 50 segundos) son el resultado de fusiones de estrellas de neutrones, que antes se creía que solo producían GRB cortos.

Las explosiones de rayos gamma (GRB) son los fenómenos más energéticos del universo, detectables incluso si se producen en galaxias a miles de millones de años luz. Según duren más o menos de dos segundos se clasifican, respectivamente, en largas (habitualmente de 10 segundos o más), asociadas a supernovas generadas tras la muerte de una estrella muy masiva; y cortas, que se relacionan con kilonovas producidas por la fusión de dos objetos compactos, como estrellas de neutrones, agujeros negros o ambos.

Los astrofísicos pensaban que las explosiones de rayos gamma (GRB) cortas, de menos de dos segundos, se producían por la fusión de estrellas de neutrones, y las largas, por la muerte de estrellas muy masivas. Sin embargo, se ha observado una GRB durante casi un minuto tras fusionarse dos estrellas de neutrones, lo que exige una revisión del marco teórico que explica estos potentes estallidos en el universo

Ahora, la detección de una GRB larga, de 50 segundos, pero producida por la colisión de objetos compactos complica el escenario, ya que muestra que la clasificación de estos estallidos según su duración no responde del todo a la realidad y abre nuevos escenarios en la muerte de las estrellas. Se trata del el GRB 211211A, detectado el 11 de diciembre de 2021 en una galaxia situada a 1.100 millones de años luz de distancia. Los detalles se publican en cuatro artículos de Nature y uno en Nature Astronomy.

“Al estudiar el estallido, denominado GRB211211A, observamos indicios claros que apuntaban a una kilonova, producida en la fusión de dos estrellas de neutrones, y no a una supernova, la explosión con la que terminan su vida las estrellas muy masivas” –señala el coautor José Feliciano Agüí Fernández, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).

“De hecho –añade–, la luminosidad, duración y color de esta kilonova son similares a otro evento muy conocido que se produjo en 2017, una fusión de estrellas de neutrones que constituyó la primera observación de un evento cósmico en luz y en ondas gravitatorias”.

Las estrellas de neutrones son objetos muy compactos y de rápida rotación que surgen cuando una estrella muy masiva expulsa su envoltura en una explosión de supernova. Su fusión produce las GRB (en principio cortas, pero en este caso larga), ondas gravitatorias y una kilonova, un fenómeno similar a las supernovas pero cuya energía procede en parte del decaimiento de especies radiactivas y que produce grandes cantidades de elementos pesados. De hecho, se cree que la mayor parte del oro y el platino en la Tierra se formaron como resultado de antiguas kilonovas.

La firma infrarroja de la kilonova

La firma característica de las kilonovas es su brillo en el infrarrojo cercano, muy superior a su brillo en luz visible. Esta diferencia se debe a que los elementos pesados expulsados por la kilonova bloquean la luz visible pero no la infrarroja, que presenta una longitud de onda mayor.

Este hallazgo ha sido posible a varios telescopios: los gemelos Gemini, el Hubble, el Gran Telescopio Canarias y el de Calar Alto, entre otros

“Sin embargo, observar en el infrarrojo cercano es un desafío técnico y pocos telescopios en tierra lo consiguen. Este hallazgo ha sido posible gracias los telescopios gemelos Gemini, que nos mostraron que estábamos ante una fusión de estrellas de neutrones”, señala Jillian Rastinejad, investigadora de la Universidad de Nothwestern (EEUU) que encabeza el trabajo.

Las conclusiones de este equipo científico, que empleó también datos de otros telescopios, entre ellos el telescopio espacial Hubble, el Gran Telescopio Canarias (La Palma) o el telescopio de 2.2 metros del Observatorio de Calar Alto (Almería), coinciden con las obtenidas por otros grupos de Italia y China que, tras estudiar el estallido con distinto enfoque y observaciones, también concluyó que el estallido se produjo por una kilonova.

Estudiar elementos pesados del universo

Además de contribuir a nuestra comprensión de las kilonovas y los GRB, este descubrimiento proporciona una nueva forma de estudiar la formación de los elementos pesados en el universo. Hasta hace poco existían discrepancias sobre lo que se conoce como proceso-r (o proceso rápido), que tiene lugar en eventos estelares explosivos y es responsable de la producción de la mitad de los elementos más pesados que el hierro, entre ellos el uranio y el oro.

Aunque en un principio se pensaba que eran las supernovas la fuente de estos elementos, los últimos estudios favorecen las fusiones de estrellas de neutrones como principales productoras de los elementos más pesados.

Referencias:

J. C. Rastinejad et al.: «A Kilonova Following a Long-Duration Gamma-Ray Burst at 350 Mpc». Eleonora Troja et al.: «A nearby long gamma-ray burst from a merger of compact objects». Bin-Bin Zhang et al.: «A long-duration gamma-ray burst with a peculiar origin». Alessio Mei et al: «Gigaelectronvolt emission from a compact binary merger«. Nature, 2022.

Benjamin Gompertz et al. «The case for a minute-long merger-driven gamma-ray burst from fast-cooling synchrotron emission». Nature Astronomy, 2022.

Fuente: SINC/IAA (CSIC)