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(noticias nanowerk) En octubre de 2022, un equipo internacional de investigadores, incluidos astrofísicos de la Universidad Northwestern, observó el estallido de rayos gamma (GRB) más brillante jamás registrado, GRB 221009A.
Ahora, un equipo liderado por Northwestern ha confirmado que el fenómeno responsable del estallido histórico, el llamado BOAT («el más brillante jamás»), es el colapso y posterior explosión de una estrella masiva. El equipo descubrió la explosión, o supernova, utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA.
![Visualización de GRB 221009A](https://www.nanowerk.com/news2/space/id65013_1.jpg)
A medida que este descubrimiento resuelve un misterio, otro misterio se profundiza.
Los investigadores especularon que podría haber evidencia de elementos pesados como platino y oro en la supernova recién descubierta. Sin embargo, la extensa búsqueda no encontró la firma que acompaña a dichos elementos. El origen de los elementos pesados en el universo sigue siendo una de las mayores cuestiones abiertas en astronomía.
La investigación publicada en la revista astronomía natural (“Detección JWST de una supernova asociada con GRB 221009A sin firma del proceso R”).
«Cuando confirmamos que el GRB se formó por el colapso de una estrella masiva, nos dio la oportunidad de probar una hipótesis sobre cómo se forman algunos de los elementos más pesados del universo», dijo Peter Blanchard de Northwestern, quien dirigió el estudio. . “No vimos ninguna firma de estos elementos pesados, lo que sugiere que los GRB de energía extremadamente alta como el BOAT no producen estos elementos. Eso no significa que no todos los GRB los produzcan, pero es información importante a medida que seguimos entendiendo de dónde provienen estos elementos pesados. Las observaciones futuras con JWST determinarán si los primos “normales” del BOAT producen estos elementos”.
Blanchard es becario postdoctoral en el Centro Northwestern para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA), donde estudia supernovas superluminosas y GRB. El estudio es coautor del Centro de Astrofísica | involucró a Harvard y Smithsonian; Universidad de Utah; Estado de Pensilvania; Universidad de California, Berkeley; Universidad Radbound en los Países Bajos; Instituto Científico de Telescopios Espaciales; Universidad de Arizona/Observatorio Steward; Universidad de California, Santa Bárbara; Universidad de Colombia; Instituto Flatiron; Universidad de Greifswald y Universidad de Guelph.
Nacimiento del BARCO
Cuando su luz inundó la Tierra el 9 de octubre de 2022, el BOAT era tan brillante que saturó la mayoría de los detectores de rayos gamma del mundo. La enorme explosión se produjo a unos 2.400 millones de años luz de la Tierra, en dirección a la constelación de Sagitario, y duró unos cientos de segundos. Cuando los astrónomos intentaron observar el origen de este fenómeno increíblemente brillante, inmediatamente quedaron asombrados.
«Mientras hayamos podido detectar GRB, no hay duda de que este GRB es el más brillante que jamás hayamos visto por un factor de 10 o más», dijo Wen-fai Fong, profesor asociado de física y astronomía en el Weinberg College de Northwestern. Dijo en su momento el Ministro de Artes y Ciencias y miembro de CIERA.
«El evento produjo algunos de los fotones más energéticos jamás registrados por los satélites de detección de rayos gamma», dijo Blanchard. “Este fue un evento que la Tierra sólo experimenta una vez cada 10.000 años. Tenemos la suerte de vivir en una época en la que tenemos la tecnología para detectar estas explosiones en todo el universo. Es muy emocionante observar un fenómeno astronómico tan raro como BOAT y trabajar para comprender la física detrás de este extraordinario evento”.
Una supernova «normal»
En lugar de observar el evento de inmediato, Blanchard, su cercana colaboradora Ashley Villar de la Universidad de Harvard y su equipo quisieron observar el GRB en sus últimas etapas. Aproximadamente seis meses después de que se descubriera por primera vez el GRB, Blanchard utilizó el JWST para estudiar sus consecuencias.
«El GRB era tan brillante que oscureció cualquier posible firma de supernova en las primeras semanas y meses después de la erupción», dijo Blanchard. “En aquellos momentos, el llamado resplandor del GRB era como los faros de un coche que se acercaban directamente a ti, impidiendo que pudieras ver el coche en sí. Así que tuvimos que esperar hasta que se desvaneciera significativamente para tener la oportunidad de ver la supernova”.
Blanchard utilizó el espectrógrafo de infrarrojo cercano de JWST para observar la luz del objeto en el rango de longitud de onda infrarroja. Reconoció la firma característica de elementos como el calcio y el oxígeno que normalmente se encuentran en una supernova. Sorprendentemente, no era particularmente brillante, como el GRB increíblemente brillante que lo acompañaba.
«No es más brillante que las supernovas anteriores», dijo Blanchard. “En el contexto de otras supernovas asociadas con GRB menos energéticos, parece bastante normal. Se podría esperar que la misma estrella en colapso que produce un GRB muy energético y brillante también produzca una supernova muy energética y brillante. Pero resulta que ese no es el caso. Tenemos este GRB extremadamente brillante, pero una supernova normal”.
Faltan: elementos pesados
Después de que Blanchard y sus colaboradores confirmaran por primera vez la presencia de la supernova, buscaron evidencia de elementos pesados en su interior. Actualmente, los astrofísicos tienen una imagen incompleta de todos los mecanismos del universo que pueden producir elementos más pesados que el hierro.
El mecanismo principal para producir elementos pesados, el proceso rápido de captura de neutrones, requiere una alta concentración de neutrones. Hasta ahora, los astrofísicos solo han confirmado la producción de elementos pesados a través de este proceso en la fusión de dos estrellas de neutrones, una colisión descubierta en 2017 por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO). Sin embargo, los científicos dicen que debe haber otras formas de producir estos materiales esquivos. Simplemente hay demasiados elementos pesados en el universo y muy pocas fusiones de estrellas de neutrones.
«Probablemente haya otra fuente», dijo Blanchard. “Se necesita mucho tiempo para que las estrellas de neutrones binarias se fusionen. Dos estrellas en un sistema estelar binario primero deben explotar para dejar atrás estrellas de neutrones. Luego pueden pasar miles de millones de años hasta que las dos estrellas de neutrones se acerquen cada vez más y finalmente se fusionen. Sin embargo, las observaciones de estrellas muy antiguas sugieren que partes del universo se enriquecieron en metales pesados antes de que la mayoría de las estrellas binarias de neutrones tuvieran tiempo de fusionarse. Esto nos indica un canal alternativo”.
Los astrofísicos han planteado la hipótesis de que los elementos pesados también podrían formarse mediante el colapso de una estrella masiva que gira rápidamente, exactamente el tipo de estrella que creó el BOAT. Utilizando el espectro infrarrojo obtenido del JWST, Blanchard examinó las capas internas de la supernova, donde se suponía que se formaban los elementos pesados.
«El material que explotó de la estrella es opaco en las primeras etapas, por lo que sólo se pueden ver las capas exteriores», dijo Blanchard. “Pero a medida que se expande y se enfría, se vuelve transparente. Entonces puedes ver los fotones provenientes de la capa interna de la supernova”.
«Además, diferentes elementos absorben y emiten fotones en diferentes longitudes de onda dependiendo de su estructura atómica, dando a cada elemento una firma espectral única», explicó Blanchard. “Por lo tanto, observar el espectro de un objeto puede decirnos qué elementos están presentes. Al examinar el espectro BOAT, no vimos ningún signo de elementos pesados, lo que sugiere que eventos extremos como GRB 221009A no son fuentes primarias. Esta es información importante a medida que continuamos intentando descubrir dónde se originan los elementos más pesados”.
¿Por qué tan brillante?
Para distinguir la luz de la supernova del brillante resplandor que tiene delante, los investigadores combinaron los datos del JWST con observaciones del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile.
«Incluso varios meses después de que se descubriera la explosión, el resplandor era lo suficientemente brillante como para introducir mucha luz en los espectros del JWST», dijo Tanmoy Laskar, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah y coautor del estudio. «Al combinar datos de los dos telescopios, pudimos medir exactamente qué tan brillante era el resplandor en el momento de nuestras observaciones JWST y extraer cuidadosamente el espectro de la supernova».
Aunque los astrofísicos aún no han descubierto cómo se crearon una supernova «normal» y un GRB récord a partir de la misma estrella colapsada, Laskar dijo que puede estar relacionado con la forma y estructura de los chorros relativistas. A medida que las estrellas masivas giran rápidamente, colapsan en agujeros negros, produciendo chorros de material que se disparan a velocidades cercanas a la de la luz. Cuando estos rayos son estrechos, producen un haz de luz más enfocado y más brillante.
«Es como enfocar el haz de una linterna en una columna estrecha, en lugar de enfocar un haz ancho a través de una pared entera», dijo Laskar. “De hecho, este fue uno de los chorros más estrechos vistos hasta ahora en un estallido de rayos gamma, lo que nos da una pista de por qué el resplandor parecía tan brillante. Otros factores también podrían ser responsables, una cuestión que los investigadores investigarán en los próximos años”.
También podrían surgir más pistas de futuros estudios de la galaxia donde tuvo lugar el BOAT. «Además del espectro del BOAT, también obtuvimos un espectro de su galaxia 'anfitriona'», dijo Blanchard. «El espectro muestra signos de intensa formación estelar, lo que sugiere que el entorno de nacimiento de la estrella original puede ser diferente al de eventos anteriores».
Yijia Li, miembro del equipo y estudiante de posgrado en Penn State, modeló el espectro de la galaxia y descubrió que la galaxia de origen de BOAT tiene la metalicidad más baja, una medida de la abundancia de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, de todas las galaxias anfitrionas de GRB anteriores. «Este es otro aspecto único del BOAT que podría ayudar a explicar sus propiedades», dijo Li.
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