27 Oct Webb detecta telurio por primera vez en una kilonova

Un equipo de científicos ha utilizado múltiples telescopios espaciales y terrestres, incluido el telescopio espacial James Webb de NASA/ESA/CSA, para observar una explosión de rayos gamma excepcionalmente brillante (GRB 230307A) e identificar la kilonova que generó la explosión. Webb también ayudó a los científicos a detectar el elemento químico telurio tras la explosión.

Las condiciones en las que se crean muchos elementos químicos en el Universo son un misterio desde hace mucho tiempo. Esto incluye elementos que son muy valiosos, o incluso vitales para la vida tal como la conocemos.

Los astrónomos están ahora un paso más cerca de dar respuesta a este misterio, gracias al telescopio espacial James Webb y a un evento de alta energía: el segundo estallido de rayos gamma más brillante jamás detectado.

Este estallido probablemente fue causado por la fusión de dos estrellas de neutrones, que resultó en una explosión conocida como kilonova.

Kilonova

Una kilonova es una explosión producida por la fusión de dos estrellas de neutrones, o de una estrella de neutrones con un agujero negro.

Cuando ocurren estas colisiones, una fracción de los escombros producidos se expulsa en forma de chorros que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz.

Los escombros restantes forman nubes calientes, brillantes y ricas en neutrones que forjan elementos pesados, como el oro y el platino, o incluso más raros aún, como el telurio.

Es probable que también estén presentes, entre el material expulsado de la kilonova, otros elementos cercanos al telurio en la tabla periódica, como el yodo, necesario para gran parte de la vida en la Tierra.

«Poco más de 150 años después de que Dmitri Mendeléyev crease la tabla periódica de elementos, gracias a Webb estamos finalmente en condiciones de comenzar a llenar esos últimos espacios en blanco, para comprender de dónde vienen todos los elementos», dijo Andrew Levan de la Universidad de Radboud en Países Bajos y la Universidad de Warwick en el Reino Unido y autor principal del estudio.

Aunque durante mucho tiempo se ha teorizado que las fusiones de estrellas de neutrones son las “ollas a presión” ideales para crear algunos de los elementos más raros de la naturaleza, sustancialmente más pesados que el hierro, hasta ahora los astrónomos no habían encontrado una evidencia sólida de ello.

Explosión larga de rayos gamma

Las kilonovas son extremadamente raras, lo que dificulta la observación de estos eventos.

Los estallidos cortos de rayos gamma (GRB), tradicionalmente considerados aquellos que duran menos de dos segundos, pueden ser subproductos de estos infrecuentes episodios de fusiones.

Por el contrario, las explosiones largas de rayos gamma pueden durar varios minutos y suelen estar asociadas con la muerte explosiva de una estrella masiva.

El caso de GRB 230307A es particularmente destacable: Detectado por primera vez por el telescopio espacial Fermi en marzo, es el segundo GRB más brillante observado en más de 50 años de observaciones, aproximadamente 1.000 veces más brillante que el típico estallido de rayos gamma que se observa con Fermi.

También duró 200 segundos, lo que lo sitúa firmemente en la categoría de estallidos de rayos gamma de larga duración, a pesar de su origen diferente.

“Este estallido entra en la categoría larga. No está cerca de la frontera. Pero parece provenir de una estrella de neutrones en fusión”, añadió Eric Burns, coautor del artículo y miembro del equipo Fermi de la Universidad Estatal de Luisiana.

Una colaboración entre telescopios terrestres y espaciales

La colaboración de muchos telescopios terrestres y espaciales permitió a los científicos recopilar una gran cantidad de información sobre este evento, tan pronto como se detectó la explosión por primera vez.

Es un ejemplo de cómo los satélites y los telescopios trabajan juntos para presenciar los cambios en el Universo a medida que estos se desarrollan.

Después de la primera detección, se puso en marcha una serie intensiva de observaciones desde la Tierra y el espacio, utilizando incluso el observatorio espacial Swift, dedicado al estudio de los GRB, para localizar la fuente en el cielo y rastrear cómo cambiaba su brillo.

Estas observaciones en el espectro de rayos gamma, rayos X, luz visible, infrarrojos y radio, mostraron que la contraparte óptica/infrarroja era débil, evolucionaba rápidamente y se volvía muy roja: las características distintivas de una kilonova.

«Este tipo de explosión es muy rápida y el material de la explosión también se expande rápidamente», dijo Om Sharan Salafia, coautor del estudio en el INAF – Observatorio Astronómico de Brera en Italia.

«A medida que toda la nube se expande, el material se enfría rápidamente y el pico de su luz se vuelve visible en infrarrojos y se vuelve más rojo en escalas de tiempo de días a semanas».

Telurio, más raro que el platino

Más allá de esta escala de tiempo, habría sido imposible estudiar esta kilonova desde la Tierra, pero estas eran las condiciones perfectas para que los instrumentos NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) y NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb observaran este entorno tumultuoso.

El espectro tiene líneas amplias que muestran que el material es expulsado a altas velocidades, pero una característica es clara: la luz emitida por el telurio, un elemento más raro que el platino en la Tierra.

Un sistema binario desterrado

La gran sensibilidad de Webb al infrarrojo ayudó a los científicos a identificar el lugar de origen de las dos estrellas de neutrones que crearon la kilonova: una galaxia espiral a unos 120.000 años luz de distancia del lugar de la fusión.

Antes de su fusión, eran dos estrellas masivas normales que formaban un sistema binario en su galaxia espiral de origen.

Dado que el dúo estaba ligado gravitatoriamente, ambas estrellas fueron expulsadas a la vez en dos ocasiones distintas: primero, cuando una de las dos explotó como una supernova y se convirtió en una estrella de neutrones, y después, cuando la otra estrella hizo lo mismo.

De este modo, las estrellas de neutrones permanecieron como un sistema binario a pesar de las sacudidas explosivas, que terminaron expulsándolas de su galaxia original.

La pareja fue desterrada, vagando por el espacio una distancia equivalente al diámetro de la Vía Láctea, antes de fusionarse varios cientos de millones de años después.

Webb y Roman, capacidades complementarias

Los científicos esperan encontrar aún más kilonovas en el futuro, debido a las crecientes oportunidades de que los telescopios espaciales y terrestres funcionen de manera complementaria para estudiar los cambios que se producen en el Universo.

Webb, una mejora extraordinaria

«Webb proporciona una mejora extraordinaria y puede encontrar elementos aún más pesados», dijo Ben Gompertz, coautor del estudio de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido.

“A medida que obtengamos observaciones más frecuentes, los modelos mejorarán y el espectro podrá evolucionar más con el tiempo. Sin duda, Webb ha abierto la puerta para hacer mucho más, y sus capacidades serán completamente transformadoras para nuestra comprensión del Universo”.

Roman, un notable campo de visión

Si bien Webb puede escudriñar el espacio con mayor profundidad que nunca, el notable campo de visión del próximo Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA permitirá a los astrónomos explorar dónde y con qué frecuencia ocurren estas explosiones.

El telescopio espacial Roman examinará las mismas áreas del cielo cada pocos días y los investigadores extraerán estos datos para identificar kilonovas.

Los vastos datos de Roman ayudarán a los astrónomos a identificar mejor con qué frecuencia ocurren estos eventos, cuánta energía emiten y la distancia a la que se encuentran.

Fuente: NASA’s Webb Makes First Detection of Heavy Element From Star Merger