Un equipo internacional de astrofísicos ha descubierto una nueva forma en que se destruye o muere una estrella mientras buscaba los orígenes de una potente explosión de rayos gamma (GRB).

Aunque la mayoría de los GRB tienen su origen en la explosión de estrellas masivas o en la fusión de estrellas de neutrones, los investigadores han llegado a la conclusión de que el GRB 191019A se produjo por la colisión de estrellas o restos estelares en el atestado entorno que rodea a un agujero negro supermasivo en el núcleo de una antigua galaxia. El entorno, similar a un derbi de demolición, apunta a una forma largamente hipotetizada -pero nunca antes vista- de demoler una estrella y generar un GRB.

El estudio se publicará en la revista Nature Astronomy. Dirigido por la Universidad Radboud de los Países Bajos, el equipo de investigación incluyó a astrónomos de la Universidad Northwestern.

Por cada cien sucesos que encajan en el esquema tradicional de clasificación de los estallidos de rayos gamma, hay al menos un bicho raro que nos desconcierta, afirma Wen-fai Fong, astrofísico de Northwestern y coautor del estudio. Sin embargo, son estos bichos raros los que más nos dicen sobre la espectacular diversidad de explosiones de que es capaz el universo.

El descubrimiento de estos fenómenos extraordinarios dentro de sistemas estelares densos, especialmente los que rodean agujeros negros supermasivos en los núcleos de las galaxias, es innegablemente emocionante, dijo el astrofísico de Northwestern y coautor del estudio Giacomo Fragione. Este notable descubrimiento nos permite echar un tentador vistazo a la intrincada dinámica de estos entornos cósmicos y los convierte en fábricas de acontecimientos que, de otro modo, se considerarían imposibles.

Fong es profesor adjunto de Física y Astronomía en el Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern y miembro del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinar en Astrofísica (CIERA). Fragione es profesor ayudante de investigación en el CIERA. Otros coautores de Northwestern son Anya Nugent y Jillian Rastinejad, ambos estudiantes de doctorado en astronomía y miembros del grupo de investigación de Fong.

La mayoría de las estrellas mueren, según su masa, de una de estas tres formas predecibles. Cuando las estrellas de masa relativamente baja, como nuestro Sol, alcanzan la vejez, se desprenden de sus capas externas y acaban desvaneciéndose hasta convertirse en estrellas enanas blancas. En cambio, las estrellas más masivas arden con más intensidad y explotan más rápidamente en explosiones cataclísmicas de supernovas, creando objetos ultradensos como estrellas de neutrones y agujeros negros. El tercer escenario se da cuando dos de estos restos estelares forman un sistema binario y acaban colisionando.

Pero el nuevo estudio revela que podría haber una cuarta opción. Nuestros resultados muestran que las estrellas pueden encontrar su fin en algunas de las regiones más densas del universo, donde pueden ser empujadas a colisionar, afirma Andrew Levan, autor principal y astrónomo de la Universidad de Radboud. Esto es apasionante para entender cómo mueren las estrellas y para responder a otras preguntas, como qué fuentes inesperadas podrían crear ondas gravitacionales que pudiéramos detectar en la Tierra.

Las galaxias antiguas, que hace tiempo que dejaron atrás su época de formación estelar, tienen pocas estrellas masivas, si es que queda alguna. Sin embargo, sus núcleos están repletos de estrellas y de restos estelares ultradensos, como enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros. Los astrónomos sospechaban desde hacía tiempo que en la turbulenta colmena de actividad que rodea a un agujero negro supermasivo, sólo sería cuestión de tiempo que dos objetos estelares colisionaran para producir un GRB. Pero las pruebas de ese tipo de fusión han permanecido esquivas.

El 19 de octubre de 2019, los astrónomos vislumbraron los primeros indicios de tal evento cuando el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA detectó un brillante destello de rayos gamma que duró poco más de un minuto. Cualquier GRB que dure más de dos segundos se considera «largo». Tales estallidos proceden típicamente del colapso de estrellas de al menos 10 veces la masa de nuestro Sol.

A continuación, los investigadores utilizaron el telescopio Gemini Sur, situado en Chile y perteneciente al Observatorio Internacional Gemini, gestionado por el NOIRLab de la Fundación Nacional de la Ciencia, para realizar observaciones a largo plazo del resplandor posterior del GRB.

Estas observaciones permitieron a los astrónomos localizar el GRB en una región situada a menos de 100 años-luz del núcleo de una antigua galaxia, muy cerca del agujero negro supermasivo de la galaxia. Curiosamente, los investigadores tampoco hallaron indicios de que se hubiera producido la supernova correspondiente, que dejaría su huella en la luz captada por Gemini Sur.

La ausencia de una supernova acompañando al largo GRB 191019A nos indica que este estallido no es un típico colapso estelar masivo, afirma Rastinejad, que realizó cálculos para asegurarse de que no se escondía una supernova en los datos. La ubicación de GRB 191019A, incrustado en el núcleo de la galaxia anfitriona, se burla de una teoría predicha pero aún no evidenciada sobre cómo podrían formarse las fuentes emisoras de ondas gravitacionales.

En entornos galácticos típicos, la producción de GRB largos a partir de restos estelares en colisión, como estrellas de neutrones y agujeros negros, es increíblemente rara. Sin embargo, los núcleos de las galaxias antiguas son cualquier cosa menos típicos, y puede haber un millón o más de estrellas hacinadas en una región de sólo unos pocos años luz de diámetro. Esta densidad de población extrema puede ser lo suficientemente grande como para que se produzcan colisiones estelares ocasionales, especialmente bajo la titánica influencia gravitatoria de un agujero negro supermasivo, que perturbaría el movimiento de las estrellas y las lanzaría en direcciones aleatorias. Finalmente, estas estrellas se cruzarían y fusionarían, desencadenando una explosión titánica que podría observarse desde grandes distancias cósmicas.

Este suceso confunde casi todas las expectativas que tenemos sobre los entornos de los GRBs cortos y largos, afirma Nugent, que realizó un modelado crucial de la galaxia anfitriona. Mientras que los GRBs largos nunca se encuentran en galaxias tan viejas y muertas como la que alberga el GRB 191019A, no se ha observado que los GRBs cortos, con sus orígenes en fusiones, estén tan conectados a los núcleos de sus anfitriones. El descubrimiento de este evento en el núcleo de su vieja galaxia quiescente abre la puerta a nuevas y prometedoras vías para la formación de sistemas binarios que rara vez se han observado antes.

Es posible que este tipo de sucesos se produzcan de forma rutinaria en regiones del universo con una aglomeración similar, pero que hayan pasado desapercibidos hasta ahora. Una posible razón de su oscuridad es que los centros galácticos están repletos de polvo y gas, lo que podría oscurecer tanto el destello inicial del GRB como el resplandor posterior resultante. El GRB 191019A puede ser una rara excepción que permita a los astrónomos detectar el estallido y estudiar sus efectos posteriores.

Aunque este evento es el primero de este tipo que se descubre, es posible que haya más por ahí que estén ocultos por las grandes cantidades de polvo cerca de sus galaxias, dijo Fong. De hecho, si este suceso de larga duración procede de la fusión de objetos compactos, contribuye a la creciente población de GRB que desafía nuestras clasificaciones tradicionales.

Al trabajar para descubrir más de estos eventos, los investigadores esperan hacer coincidir la detección de un GRB con la correspondiente detección de ondas gravitacionales, lo que revelaría más sobre su verdadera naturaleza y confirmaría sus orígenes, incluso en los entornos más turbios. El Observatorio Vera C. Rubin, cuando entre en funcionamiento en 2025, será de un valor incalculable para este tipo de investigación.


Fuentes

Northwestern University | Levan, A.J., et al. A long-duration gamma-ray burst of dynamical origin from the nucleus of an ancient galaxy. Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-01998-8


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