Post-resplandor arroja luz sobre la naturaleza y origen de las colisiones de estrellas de neutrones

Una representación artística de dos estrellas de neutrones fusionándose. Crédito: NSF / LIGO / Sonoma State / A. Simonnet.

Investigadores han usado el Hubble para capturar la imagen óptica más profunda de la primera fusión de estrellas de neutrones. 

El capítulo final de la detección histórica de la poderosa fusión de dos estrellas de neutrones en 2017 se ha escrito oficialmente. Después de que el estallido extremadamente brillante finalmente se desvaneció en la oscuridad, un equipo internacional liderado por la Universidad de Northwestern construyó minuciosamente su resplandor, el último fragmento del ciclo de vida del famoso evento. 

La imagen resultante no solo es la imagen más profunda del resplandor de la colisión de la estrella de neutrones hasta la fecha, sino que también revela secretos sobre los orígenes de la fusión, el chorro que creó y la naturaleza de los estallidos de rayos gamma más cortos. 

"Esta es la exposición más profunda que hemos tenido de este evento en luz visible", dijo Wen-fai Fong de Northwestern, quien dirigió la investigación. "Cuanto más profunda es la imagen, más información podemos obtener". 

El estudio se publica en The Astrophysical Journal Letters. Fong es profesor asistente de física y astronomía en el Colegio de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro del CIERA (Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica), un centro de investigación dotado en Northwestern enfocado en avanzar estudios con énfasis en conexiones interdisciplinarias. 

Muchos científicos consideran la fusión de estrellas de neutrones de 2017, denominada GW170817, como el descubrimiento más importante de LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser) hasta la fecha. Fue la primera vez que los astrofísicos capturaron dos estrellas de neutrones que colisionaron. Detectado tanto en ondas gravitacionales como en luz electromagnética, también fue la primera observación de múltiples mensajeros entre estas dos formas de radiación. 

La luz de GW170817 se detectó, en parte, porque estaba cerca, lo que la hacía muy brillante y relativamente fácil de encontrar. Cuando las estrellas de neutrones colisionaron, emitieron una kilonova, ligera 1,000 veces más brillante que una nova clásica, como resultado de la formación de elementos pesados ​​después de la fusión. Pero fue exactamente este brillo el que hizo que su resplandor posterior, formado a partir de un chorro que viajaba cerca de la velocidad de la luz, golpeando el entorno, fuera tan difícil de medir. 

"Para que podamos ver el resplandor, la kilonova tuvo que moverse fuera del camino", dijo Fong. "Seguramente, unos 100 días después de la fusión, la kilonova se había desvanecido en el olvido, y el resplandor crepuscular se hizo cargo. El resplandor crepuscular fue tan tenue, sin embargo, que dejó a los telescopios más sensibles capturarlo". 

Hubble al rescate 

A partir de diciembre de 2017, el telescopio espacial Hubble de la NASA detectó el resplandor de la luz visible de la fusión y volvió a visitar la ubicación de la fusión 10 veces más en el transcurso de un año y medio. 

A finales de marzo de 2019, el equipo de Fong utilizó el Hubble para obtener la imagen final y la observación más profunda hasta la fecha. En el transcurso de siete horas y media, el telescopio grabó una imagen del cielo desde donde ocurrió la colisión de la estrella de neutrones. La imagen resultante mostró, 584 días después de la fusión de la estrella de neutrones, que la luz visible que emanaba de la fusión finalmente había desaparecido. 

El cuadro indica dónde se produjo la fusión de la estrella de neutrones (GW170817) y su resplandor. El brillo del evento se ve abrumado por el brillo de la galaxia (centro). Crédito: Wen-fai Fong / Universidad del Noroeste.

A continuación, el equipo de Fong necesitaba eliminar el brillo de la galaxia circundante, para aislar el resplandor extremadamente tenue del evento. 

"Para medir con precisión la luz del resplandor crepuscular, hay que quitar toda la otra luz", dijo Peter Blanchard, becario postdoctoral en CIERA y segundo autor del estudio. "El mayor culpable es la contaminación lumínica de la galaxia, que tiene una estructura extremadamente complicada". 

Fong, Blanchard y sus colaboradores abordaron el desafío utilizando las 10 imágenes, en las que la kilonova desapareció y el resplandor permaneció, así como la imagen final y profunda del Hubble sin rastros de la colisión. El equipo superpuso su imagen profunda del Hubble en cada una de las 10 imágenes de resplandor posterior. Luego, usando un algoritmo, sustrajeron meticulosamente, píxel por píxel, toda la luz de la imagen del Hubble de las imágenes de resplandor posterior anteriores. 

El resultado: una serie temporal final de imágenes, que muestra el tenue resplandor posterior sin contaminación lumínica de la galaxia de fondo. Completamente alineado con las predicciones del modelo, es la serie temporal de imágenes más precisa del resplandor de luz visible del GW170817 producido hasta la fecha. 

"La evolución del brillo coincide perfectamente con nuestros modelos teóricos de jets", dijo Fong. "También concuerda perfectamente con lo que nos dicen la radio y los rayos X". 

Información iluminadora 

Con la imagen del espacio profundo del Hubble, Fong y sus colaboradores obtuvieron nuevas ideas sobre la galaxia de origen de GW170817. Quizás lo más sorprendente es que notaron que el área alrededor de la fusión no estaba densamente poblada con cúmulos estelares. 

"Estudios anteriores han sugerido que los pares de estrellas de neutrones pueden formarse y fusionarse dentro del denso ambiente de un cúmulo globular", dijo Fong. "Nuestras observaciones muestran que definitivamente no es el caso de esta fusión de estrellas de neutrones". 

Según la nueva imagen, Fong también cree que las explosiones cósmicas distantes conocidas como explosiones de rayos gamma cortos son en realidad fusiones de estrellas de neutrones, solo vistas desde un ángulo diferente. Ambos producen chorros relativistas, que son como una manguera de fuego de material que viaja cerca de la velocidad de la luz. Los astrofísicos suelen ver chorros de explosiones de rayos gamma cuando apuntan directamente, como mirar directamente a la manguera de bomberos. Pero GW170817 fue visto desde un ángulo de 30 grados, que nunca antes se había hecho en la longitud de onda óptica. 

"GW170817 es la primera vez que hemos podido ver el avión 'fuera del eje'", dijo Fong. "La nueva serie temporal indica que la principal diferencia entre GW170817 y las ráfagas distantes de rayos gamma cortos es el ángulo de visión". 

Fuente: Universidad Northwestern