Los astrónomos utilizaron el JWST de la NASA y otros telescopios para detectar brillantes estallidos de rayos gamma producidos por colisiones de estrellas de neutrones, lo que permitió la primera observación directa de metales pesados ​​como el telurio en el espacio. Este descubrimiento arroja luz sobre el origen de los elementos pesados ​​en el universo.

Un inusual estallido de luz de alta energía en el cielo señala a los astrónomos hacia un par de estrellas de neutrones forjadas en metal a 900 millones de años luz de la Tierra. Utilizando múltiples observatorios, los astrónomos han detectado directamente telurio en dos estrellas de neutrones fusionadas.

Un equipo internacional de astrónomos, incluidos científicos del MIT, informa en un estudio reciente publicado en la revista Nature que han detectado un estallido de rayos gamma (GRB) extremadamente brillante, el tipo de explosión más potente conocido en el universo. Este estallido de rayos gamma en particular fue el segundo más brillante jamás detectado, y más tarde los astrónomos rastrearon su origen hasta la fusión de dos estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones son núcleos ultradensos de estrellas masivas colapsadas y se cree que son el lugar de nacimiento de muchos metales pesados ​​en el universo.

Evidencias de metales pesados ​​en el espacio.

El equipo descubrió que cuando estas estrellas orbitan entre sí y finalmente se fusionan, liberan enormes cantidades de energía en forma de GRB. Además, por primera vez los astrónomos han detectado directamente signos de metales pesados ​​en los restos de estrellas. Específicamente, capturaron una señal clara de telurio, un metal pesado que es ligeramente tóxico y más raro que el platino en la Tierra pero que se cree que abunda en todo el universo.

En la impresión de este artista, dos estrellas de neutrones comienzan a fusionarse, expulsando chorros de partículas de alta velocidad y creando nubes de escombros. Fuente: A. Simonnet (Universidad Estatal de Sonoma) y Centro de Vuelos Espaciales Goddard

Los astrónomos estiman que la fusión liberó suficiente telurio para igualar la masa de 300 Tierras. Si el telurio está presente, la fusión también debe haber agitado otros elementos estrechamente relacionados, como el yodo, un nutriente mineral esencial para la mayor parte de la vida en la Tierra.

esfuerzo astronómico global

El descubrimiento fue el resultado de un esfuerzo de colaboración de astrónomos de todo el mundo, utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA y otros telescopios terrestres y espaciales, incluido el satélite TESS de la NASA (una misión dirigida por el MIT) y el Very Large Telescope (VLT) de Chile.

"Este descubrimiento es un importante paso adelante en nuestra comprensión de dónde se formaron los elementos pesados ​​en el universo, y demuestra el poder de combinar observaciones en diferentes longitudes de onda para revelar nuevos conocimientos sobre estas explosiones extremadamente energéticas", dijo el coautor del estudio Benjamin Schneider, becario postdoctoral en el Instituto Kavli de Astrofísica y Estudios Espaciales del MIT.

La investigación fue codirigida por Andrew Levan de la Universidad de Radboud en los Países Bajos y la Universidad de Warwick en el Reino Unido.

El 7 de marzo de 2023, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA detectó el estallido inicial y determinó que se trataba de un estallido de rayos gamma inusualmente brillante, que los astrónomos denominaron GRB230307A.

Michael Fasnow era científico investigador en el MIT en ese momento y ahora es profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Texas. "En la astronomía de rayos gamma, normalmente se cuentan los fotones individuales. Pero con tantos fotones entrando, el detector no puede resolver los fotones individuales, y es un poco como maximizar el medidor".

Una imagen de campo estelar de GRB230307A tomada por JWST/NIRCam que muestra la kilonova asociada y su galaxia anfitriona. Fuente de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, AndrewLevan (IMAPP, Warw)

Esta explosión superbrillante también fue particularmente larga, con una duración de 200 segundos, mientras que las fusiones de estrellas de neutrones suelen producir GRB cortos que parpadean durante menos de dos segundos. Esta llamarada brillante y duradera despertó inmediatamente el interés mundial, y los astrónomos apuntaron a muchos otros telescopios hacia la explosión. Esta vez, el brillo del estallido de rayos gamma funcionó a favor de los científicos, ya que los satélites de todo el sistema solar detectaron el destello de rayos gamma. Triangulando estas observaciones, los astrónomos identificaron la ubicación del estallido de rayos gamma en la constelación austral de Montenegro.

En el MIT, Schneider y Fasnow se unieron a una búsqueda en múltiples frentes. Poco después de que Fermi detectara por primera vez GRB230307A, Fausnaugh comprobó si el estallido estaba presente en los datos tomados por el satélite TESS, que apuntaba al mismo trozo de cielo donde se detectó GRB230307A por primera vez. Fausnaugh volvió y miró esa parte de los datos de TESS, descubrió la explosión y luego siguió su actividad de principio a fin.

"Podemos ver todo al mismo tiempo", dijo Fausnaugh. "Vimos un destello muy brillante, seguido de una pequeña protuberancia o resplandor. Es una curva de luz muy singular. Sin TESS, habría sido casi imposible observar los primeros destellos ópticos que ocurren al mismo tiempo que los rayos gamma".

Mientras tanto, Schneider estudió la explosión utilizando otro telescopio terrestre: el Very Large Telescope (VLT) en Chile. Como miembro del gran proyecto de observación de explosiones de rayos gamma que opera en este telescopio, Schneider estaba de servicio poco después de la primera observación de Fermi y apuntó el telescopio hacia la explosión.

Las observaciones del VLT coincidieron con los datos del TESS y revelaron un patrón igualmente peculiar: la emisión de GRB pareció pasar rápidamente de las longitudes de onda azul a roja. Este patrón es característico de una kilonova, una gran explosión que suele ocurrir cuando dos estrellas de neutrones chocan. El análisis del equipo del MIT, combinado con otras observaciones de todo el mundo, ayudó a determinar que este GRB es probablemente producto de la fusión de dos estrellas de neutrones.

Seguimiento de fusiones de estrellas de neutrones

¿De dónde surgió la fusión en sí? Para ello, los astrónomos recurren a las observaciones de campo profundo del JWST, porque el JWST puede ver más lejos que cualquier otro telescopio. Los astrónomos utilizaron JWST para observar GRB230307A, con la esperanza de encontrar la galaxia anfitriona donde se originó la estrella de neutrones. Las imágenes del telescopio muestran que, extrañamente, el GRB no parece estar conectado a ninguna galaxia anfitriona. Pero parece haber una galaxia cercana, a unos 120.000 años luz de distancia.

Las observaciones telescópicas indican que estas estrellas de neutrones fueron expulsadas de galaxias cercanas. Lo más probable es que se formaran como un par de estrellas masivas en un sistema binario. Finalmente, ambas estrellas colapsaron en estrellas de neutrones y, en un poderoso evento, la pareja fue "expulsada" de su galaxia de origen, lo que las hizo escapar a una nueva ubicación, donde lentamente giraron en círculos entre sí antes de fusionarse cientos de millones de años después.

JWST también detectó una clara señal de telurio en la radiación de alta energía producida por la fusión. Si bien la mayoría de las estrellas pueden producir elementos ligeros por debajo del hierro, se cree que todos los demás elementos más pesados ​​del universo se formaron en entornos más extremos, como las fusiones de estrellas de neutrones. La detección de telurio por parte del JWST confirma además que el estallido de rayos gamma original fue producido por la fusión de estrellas de neutrones.

"Esto es sólo el comienzo para JWST y ya está marcando una gran diferencia", afirmó Schneider. "En los próximos años se detectarán muchas más fusiones de estrellas de neutrones. La combinación del JWST y otros observatorios potentes será fundamental para revelar la naturaleza de estas explosiones extremas".