La primera detección de ondas gravitacionales de la fusión cataclísmica de dos estrellas de neutrones, y la observación de la luz visible después de esa fusión, finalmente responde a una pregunta de larga data en astrofísica: ¿Dónde están los elementos más pesados, que van desde la plata yotros metales preciosos a uranio, vienen?
Según el brillo y el color de la luz emitida después de la fusión, que coinciden estrechamente con las predicciones teóricas de los físicos del Laboratorio Nacional de la Universidad de California, Berkeley y Lawrence Berkeley, los astrónomos ahora pueden decir que el oro o el platino en su anillo de bodas estaba en todosprobabilidad forjada durante la breve pero violenta fusión de dos estrellas de neutrones en órbita en algún lugar del universo.
Esta es la primera detección de una fusión de estrellas de neutrones por parte de los detectores del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser LIGO en los Estados Unidos, cuyos líderes recibieron el Premio Nobel de Física hace dos semanas, y el detector Virgo en Italia. LIGOhabía detectado previamente ondas gravitacionales de cuatro fusiones de agujeros negros y una de Virgo, pero tales eventos deberían ser completamente oscuros. Esta es la primera vez que se detecta la luz asociada con una fuente de ondas gravitacionales.
"Hemos estado trabajando durante años para predecir cómo se vería la luz de una fusión de neutrones", dijo Daniel Kasen, profesor asociado de física y astronomía en UC Berkeley y científico en Berkeley Lab ". Ahora esa especulación teóricaha cobrado vida de repente "
La fusión de la estrella de neutrones, denominada GW170817, fue detectada el 17 de agosto e inmediatamente telegrafiada a observadores de todo el mundo, que giraron sus telescopios pequeños y grandes en la región del cielo de donde provenía. Las ondas en el espacio-tiempo que LIGO / Virgomedido sugirió una fusión de estrellas de neutrones, ya que cada estrella del binario pesaba entre 1 y 2 veces la masa de nuestro Sol. Además de los agujeros negros, las estrellas de neutrones son los objetos más densos conocidos en el universo. Se crean cuando una estrella masiva agota sucombustible y se derrumba sobre sí mismo, comprimiendo una masa comparable a la del sol en una esfera de solo 10 millas de ancho.
Solo 1,7 segundos después de que se registraron las ondas gravitacionales, el telescopio espacial Fermi detectó una breve explosión de rayos gamma de la misma región, evidencia de que se producen chorros concentrados de energía durante la fusión de las estrellas de neutrones. Menos de 11 horas después, los observadoresvislumbró por primera vez la luz visible desde la fuente. Estaba localizada en una galaxia conocida, NGC 4993, situada a unos 130 millones de años luz de la Tierra en la dirección de la constelación Hydra.
La detección de una fusión de estrellas de neutrones fue sorprendente, porque las estrellas de neutrones son mucho más pequeñas que los agujeros negros y sus fusiones producen ondas gravitacionales mucho más débiles que las de los agujeros negros. Según el profesor de astronomía y física de Berkeley, Eliot Quataert, "estábamos anticipandoLIGO encontró una fusión de estrellas de neutrones en los próximos años, pero verla tan cerca, para los astrónomos, y tan brillante en la luz normal ha superado todas nuestras expectativas más salvajes. Y, aún más sorprendente, resulta que la mayoría de nuestras prediccionesde cómo se verían las fusiones de estrellas de neutrones según lo visto por los telescopios normales ¡eran correctas! "
Las observaciones de LIGO / Virgo de las ondas gravitacionales y la detección de su contraparte óptica se analizarán en una conferencia de prensa a las 10 a.m.EDT el lunes 16 de octubre, en el National Press Club en Washington, DC Simultáneamente, varias docenas de documentos discutiendo ellas observaciones serán publicadas en línea por Naturaleza , ciencia y el Revista astrofísica letras
Génesis de los elementos
Mientras que el hidrógeno y el helio se formaron en el Big Bang hace 13.800 millones de años, los elementos más pesados como el carbono y el oxígeno se formaron más tarde en los núcleos de las estrellas a través de la fusión nuclear de hidrógeno y helio. Pero este proceso solo puede construir elementos hasta el hierro.La fabricación de los elementos más pesados requiere un entorno especial en el que los átomos son bombardeados repetidamente por neutrones libres. A medida que los neutrones se adhieren a los núcleos atómicos, se construyen elementos más arriba en la tabla periódica.
Dónde y cómo se produce este proceso de producción de elementos pesados ha sido una de las preguntas más antiguas en astrofísica. La atención reciente se ha centrado en las fusiones de estrellas de neutrones, donde la colisión de las dos estrellas arroja nubes de materia rica en neutrones al espacio, donde podrían ensamblarse en elementos pesados.
Se especula que los astrónomos podrían ver la luz de elementos tan pesados que se remontan a la década de 1990, pero la idea había estado acumulando polvo principalmente hasta 2010, cuando Brian Metzger, entonces un estudiante recién graduado en UC Berkeley, ahora profesor de astrofísica en ColumbiaUniversity, coautor de un artículo con Quataert y Kasen en el que calcularon la radioactividad de los restos de estrellas de neutrones y estimaron su brillo por primera vez.
"A medida que la nube de escombros se expande en el espacio", dijo Metzger, "la descomposición de los elementos radiactivos lo mantiene caliente y hace que brille".
Metzger, Quataert, Kasen y sus colaboradores mostraron que esta luz de las fusiones de estrellas de neutrones era aproximadamente mil veces más brillante que las explosiones de nova normales en nuestra galaxia, motivándolos a nombrar estos destellos exóticos "kilonovas".
Aún así, quedaban preguntas básicas sobre cómo sería realmente una kilonova.
"Los restos de la fusión de estrellas de neutrones son cosas extrañas, una mezcla de metales preciosos y desechos radiactivos", dijo Kasen.
Los astrónomos no conocen fenómenos comparables, por lo que Kasen y sus colaboradores tuvieron que recurrir a la física fundamental y resolver ecuaciones matemáticas que describen cómo la estructura cuántica de los átomos pesados determina cómo emiten y absorben la luz.
Jennifer Barnes, becaria postdoctoral de Einstein en Columbia, trabajó como estudiante graduada de Berkeley con Kasen para hacer algunas de las primeras predicciones detalladas de cómo debería ser una kilonova.
"Cuando calculamos las opacidades de los elementos formados en una fusión de estrellas de neutrones, encontramos mucha variación. Los elementos más ligeros eran ópticamente similares a los elementos encontrados en las supernovas, pero los átomos más pesados eran más de cien veces más opacos quelo que estamos acostumbrados a ver en explosiones astrofísicas ", dijo Barnes." Si hay elementos pesados presentes en los escombros de la fusión, su alta opacidad debería dar a las kilonovas un tono rojizo ".
"Creo que desanimamos a toda la comunidad de astrofísica cuando lo anunciamos por primera vez", dijo Kasen. "Estábamos prediciendo que una kilonova debería ser relativamente débil y más roja que roja, lo que significa que sería algo increíblemente difícil de encontrar.el lado positivo, habíamos definido una pistola humeante: se puede ver que está viendo elementos pesados recién producidos por su distintivo color rojo ".
Eso es justo lo que observaron los astrónomos.
Una 'predicción traidora'
El descubrimiento de agosto de LIGO / Virgo de una fusión de estrellas de neutrones significaba que "el día del juicio para los teóricos llegaría antes de lo esperado", dijo Kasen.
"Durante años, la idea de una kilonova había existido solo en nuestra imaginación teórica y en nuestros modelos de computadora", dijo. "Dada la compleja física involucrada y el hecho de que esencialmente no teníamos ningún aporte de observación para guiarnos, fue unpredicción increíblemente traidora: los teóricos realmente estaban sacando el cuello "
Pero cuando llegaron los datos, una noche después de la siguiente, las imágenes comenzaron a reunirse en una imagen sorprendentemente familiar.
En las primeras dos noches de observaciones, el color del evento de fusión era relativamente azul con un brillo que coincidía con las predicciones de los modelos de kilonova sorprendentemente bien si las capas externas de los restos de la fusión están hechas de elementos preciosos como la plata., en los días siguientes, la emisión se volvió cada vez más roja, una señal de que las capas internas de la nube de escombros también contienen los elementos más pesados, como el platino, el oro y el uranio.
"Tal vez la mayor sorpresa fue cuán bien se comportó la señal visual en comparación con nuestras expectativas teóricas", señaló Metzger. "Nadie había visto una fusión de estrellas de neutrones de cerca antes. Reunir la imagen completa de tal evento implicauna amplia gama de física: relatividad general, hidrodinámica, física nuclear, física atómica. Combinar todo eso y hacer una predicción que coincida con la realidad de la naturaleza es un verdadero triunfo para la astrofísica teórica ".
Kasen, quien también era miembro de los equipos de observación que descubrieron y realizaron observaciones de seguimiento de la fuente, recordó la emoción del momento: "Me quedaba despierto hasta las 3 de la madrugada noche tras noche, comparando nuestros modelos con los últimos datos, y pensando: 'No puedo creer que esto esté sucediendo; estoy mirando algo nunca antes visto en la Tierra, y creo que realmente entiendo lo que estoy viendo' ".
Kasen y sus colegas han presentado modelos actualizados de kilonova e interpretaciones teóricas de las observaciones en un documento publicado el 16 de octubre antes de su publicación en Naturaleza . Sus modelos también se están utilizando para analizar un amplio conjunto de datos presentados en siete documentos adicionales que aparecen en Naturaleza , ciencia y el Revista astrofísica .
Las observaciones no solo confirmaron las predicciones teóricas, sino que el modelado permitió a Kasen y sus colegas calcular la cantidad y la composición química del material producido. Los científicos dedujeron que se hizo alrededor del 6 por ciento de una masa solar de elementos pesados.el rendimiento de oro solo fue de alrededor de 200 masas terrestres, y el del platino casi 500 masas terrestres.
Inicialmente, los astrofísicos pensaban que las supernovas ordinarias podrían explicar los elementos pesados, pero siempre ha habido problemas con esa teoría, dijo el coautor Enrico Ramirez-Ruiz, profesor de astronomía y astrofísica en la Universidad de California en Santa Cruz. Según Ramírez-Ruiz, las nuevas observaciones respaldan la teoría de que las fusiones de estrellas de neutrones pueden representar todo el oro en el universo, así como aproximadamente la mitad de todos los otros elementos más pesados que el hierro.
"La mayor parte del tiempo en ciencia estás trabajando para avanzar gradualmente en un tema establecido", dijo Kasen. "Es raro estar presente para el nacimiento de un campo completamente nuevo de astrofísica. Creo que todos somos muy afortunados de tenertuve la oportunidad de jugar un papel "
El trabajo de Kasen cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., Y los recursos del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética NERSC hicieron posibles las simulaciones. El trabajo de Kasen y Quataert cuenta con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore. Quataert también cuenta con el apoyopor la Fundación Simons.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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