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 responda una pregunta de larga data en astrofísica:¿Dónde están los elementos más pesados, que van desde la plata y otros metales preciosos hasta el uranio, ¿viene de?

Según el brillo y el color de la luz emitida tras la fusión, que coinciden estrechamente con las predicciones teóricas de la Universidad de California, Físicos del Laboratorio Nacional de Berkeley y Lawrence Berkeley, Los astrónomos ahora pueden decir que el oro o el platino de su anillo de bodas probablemente se forjaron 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 los detectores del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) en los Estados Unidos. cuyos líderes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física hace dos semanas, y el detector Virgo en Italia. LIGO había detectado previamente ondas gravitacionales de cuatro fusiones de agujeros negros, y Virgo uno, pero tales eventos deberían ser completamente oscuros. Esta es la primera vez que se detecta 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 que la especulación teórica ha cobrado vida de repente".

La fusión de estrellas de neutrones, apodado GW170817, fue detectado el 17 de agosto e inmediatamente telegrafiado a los observadores de todo el mundo, que dirigieron sus pequeños y grandes telescopios hacia la región del cielo de donde procedía. Las ondas en el espacio-tiempo que LIGO / Virgo midieron sugirieron una fusión de estrellas de neutrones, ya que cada estrella del binario pesaba entre 1 y 2 veces la masa de nuestro sol. Aparte de los agujeros negros, Las estrellas de neutrones son los objetos más densos que se conocen en el universo. Se crean cuando una estrella masiva agota su combustible y colapsa sobre sí misma. comprimiendo una masa comparable a la del sol en una esfera de sólo 10 millas de diámetro.

Solo 1,7 segundos después de que se registraron las ondas gravitacionales, el telescopio espacial Fermi detectó una breve ráfaga de rayos gamma de la misma región, evidencia de que se producen chorros concentrados de energía durante la fusión de estrellas de neutrones. Menos de 11 horas después, los observadores captaron su primer atisbo de luz visible de la fuente. Estaba localizado en una galaxia conocida, NGC 4993, situado a unos 130 millones de años luz de la Tierra en dirección a la constelación de 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 fusiones de agujeros negros. Según el profesor de astronomía y física de Berkeley, Eliot Quataert, "Estábamos anticipando que LIGO encontraría una fusión de estrellas de neutrones en los próximos años, pero verla tan cerca - para los astrónomos - y tan brillante con luz normal ha superado todas nuestras expectativas más salvajes. Y, aún más asombroso, resulta que la mayoría de nuestras predicciones de cómo se verían las fusiones de estrellas de neutrones vistas por telescopios normales eran correctas ".

Las observaciones de LIGO / Virgo de ondas gravitacionales y la detección de su contraparte óptica se discutirán en una conferencia de prensa a las 10 a.m.EDT el lunes, 16 de octubre en el National Press Club en Washington, D.C. Simultáneamente, Varias docenas de artículos que discuten las observaciones serán publicados en línea por Naturaleza , Ciencias y el Diario astrofísico 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 mediante 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 sean bombardeados repetidamente por neutrones libres. A medida que los neutrones se adhieren a los núcleos atómicos, se construyen los elementos superiores en la tabla periódica.

Dónde y cómo ocurre 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.

La especulación de que los astrónomos podrían ver la luz de elementos tan pesados ​​se remonta a la década de 1990, pero la idea había ido acumulando polvo hasta 2010, cuando Brian Metzger, luego un estudiante de posgrado recién acuñado en UC Berkeley, ahora profesor de astrofísica en la Universidad de Columbia, fue coautor de un artículo con Quataert y Kasen en el que calcularon la radiactividad de los restos de la estrella de neutrones y estimaron su brillo por primera vez.

"A medida que la nube de escombros se expande hacia el espacio, "Metzger dijo, "la desintegración de los elementos radiactivos lo mantiene caliente, haciendo que brille ".

Metzger, Quataert, Kasen y sus colaboradores demostraron que esta luz de las fusiones de estrellas de neutrones era aproximadamente mil veces más brillante que las explosiones de novas normales en nuestra galaxia. motivándolos a nombrar estos destellos exóticos "kilonovas".

Todavía, Quedaban preguntas básicas sobre cómo se vería realmente una kilonova.

"Los escombros de la fusión de estrellas de neutrones son algo extraño: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, un becario postdoctoral Einstein en Columbia, Trabajó como estudiante graduado 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 que se encuentran en las supernovas, pero los átomos más pesados ​​eran cien veces más opacos de lo que estamos acostumbrados a ver en las explosiones astrofísicas, ", dijo Barnes." Si hay elementos pesados ​​en los escombros de la fusión, su alta opacidad debería dar a las kilonovas un tono rojizo ".

"Creo que fastidiamos a toda la comunidad astrofísica cuando anunciamos por primera vez que, ", Dijo Kasen." Estábamos prediciendo que una kilonova debería ser relativamente débil y más roja que el rojo, lo que significa que sería increíblemente difícil de encontrar. En el lado positivo, habíamos definido una pistola humeante:se puede decir que está viendo elementos pesados ​​recién producidos por su distintivo color rojo ".

Eso es exactamente lo que observaron los astrónomos.

Una 'predicción traicionera'

El descubrimiento de agosto de LIGO / Virgo de una fusión de estrellas de neutrones significó 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 nuestros modelos informáticos, ", dijo." Dada la compleja física involucrada, y el hecho de que teníamos una entrada de observación esencialmente nula para guiarnos, fue una predicción tremendamente traicionera:los teóricos estaban realmente arriesgándose ".

Pero a medida que llegaban los datos, una noche tras otra, las imágenes comenzaron a ensamblarse en una imagen sorprendentemente familiar.

En las primeras dos noches de observaciones, el color del evento de fusión fue relativamente azul con un brillo que coincidió con las predicciones de los modelos de kilonova sorprendentemente bien si las capas externas de los escombros de la fusión están hechas de elementos preciosos ligeros como la plata. Sin embargo, durante los días siguientes, la emisión se volvió cada vez más roja, una firma de que las capas internas de la nube de escombros también contienen los elementos más pesados, como el platino, oro y uranio.

"Quizás la mayor sorpresa fue lo bien que actuó la señal visual en comparación con nuestras expectativas teóricas, "Metzger anotó." Nadie había visto antes una fusión de estrellas de neutrones de cerca. Reunir la imagen completa de tal evento implica una amplia gama de física:relatividad general, hidrodinámica, física nuclear, física atómica. Combinar todo eso y llegar a una predicción que coincida con la realidad de la naturaleza es un verdadero triunfo para la astrofísica teórica ".

Kasen, quien también fue miembro de equipos de observación que descubrieron y realizaron observaciones de seguimiento de la fuente, recordó la emoción del momento:"Me quedé despierto hasta pasadas las 3 a. m. noche tras noche, comparando nuestros modelos con los datos más recientes, 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 de kilonova actualizados e interpretaciones teóricas de las observaciones en un artículo 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 artículos adicionales que aparecen en Naturaleza , Ciencias y el Diario astrofísico .

Las observaciones no solo confirmaron las predicciones teóricas, pero el modelado permitió a Kasen y sus colegas calcular la cantidad y composición química del material producido. Los científicos infirieron que alrededor del 6 por ciento de la masa solar de elementos pesados ​​se formaron. El rendimiento de oro solo fue de alrededor de 200 masas terrestres, y el de platino cerca de 500 masas terrestres.

Inicialmente, Los astrofísicos pensaron 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 UC Santa Cruz. Según Ramírez-Ruiz, las nuevas observaciones apoyan la teoría de que las fusiones de estrellas de neutrones pueden explicar todo el oro del universo, así como aproximadamente la mitad de todos los demás elementos más pesados ​​que el hierro.

"La mayor parte del tiempo en ciencias estás trabajando para avanzar gradualmente en un tema establecido, ", Dijo Kasen." Es raro estar presente para el nacimiento de un campo completamente nuevo de la astrofísica. Creo que todos somos muy afortunados de haber tenido la oportunidad de desempeñar un papel ".

El trabajo de Kasen cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., y las simulaciones fueron posibles gracias a los recursos del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía (NERSC). El trabajo de Kasen y Quataert cuenta con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore. Quataert también cuenta con el apoyo de la Fundación Simons.