La NASA rastrea el evento cósmico más brillante jamás registrado: “¡Esto es una locura!”

Los astrónomos creen que un GRB (explosión de rayos gamma) prolongado se origina en una estrella masiva que gira rápidamente cuando su núcleo se queda sin combustible y colapsa, creando un agujero negro en el centro de la estrella. En el concepto de este artista, dos chorros emergen de la estrella moribunda e interactúan con el gas y el polvo que la rodean. Fuente de la imagen: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Los astrónomos presenciaron el barco, el evento cósmico más brillante jamás registrado, lo que demuestra el poder del dominio del tiempo y la astronomía de múltiples mensajeros. Este evento y otros similares brindan información sobre los procesos dinámicos del universo y el papel de la cooperación en el descubrimiento científico.

El teléfono de Stephen LeSage comenzó a vibrar después del medio tiempo el 9 de octubre de 2022, mientras miraba un partido de fútbol en Atlanta con un amigo. Cuando Lesage vio los mensajes entrantes, el partido ya no parecía importante. Había ocurrido un evento cósmico poco común y necesitaba acceder a su computadora de inmediato.

El satélite Fermi Gamma Ray de la NASA y el Observatorio Neil Gehrels-Swift detectaron una señal inusualmente brillante en el espacio y enviaron alertas automáticas a los científicos. El canal de chat Fermi del equipo de Lesage se iluminó con mensajes mientras los científicos coordinaban su estrategia de seguimiento.

“Todos en ese grupo decían: '¡Esto es una locura! “¿Quién está a cargo de analizar esto? Esto es lo que estábamos esperando”, recuerda Lesage, estudiante de posgrado de la Universidad de Alabama, Huntsville. “¡Ya es hora!”

Este evento inusual resultó ser una explosión cósmica que fue quizás la más brillante en energías de rayos X y rayos gamma desde el comienzo de la civilización. Los astrónomos lo llamaron “el barco”, “el más brillante de todos”. Lesage dirigió un análisis de los datos de Fermi que mostraron cuán brillante era realmente el barco. Más de 150 telescopios en el espacio y en la Tierra siguieron para obtener más detalles sobre el evento, incluyendo NASAIXPE (Explorador de polarimetría de rayos X), el telescopio espacial Hubble, el telescopio espacial James Webb y el telescopio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea.

El universo esta cambiando

El barco es un ejemplo de lo que los astrónomos llaman astronomía de dominio del tiempo y de mensajes múltiples. La parte del “dominio del tiempo” se refiere a eventos que ocurren en el universo y que los telescopios pueden observar a medida que ocurren, como una supernova o la fusión de dos estrellas de neutrones. La “astronomía de múltiples mensajeros” se refiere a una variedad de “mensajeros” que transmiten información del universo, incluidas todas las formas de luz, partículas de alta energía y ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.

Si bien puede parecer que el universo cambia muy lentamente, a lo largo de millones o incluso miles de millones de años, sus ocupantes celestes a veces producen cambios dramáticos en cuestión de días o incluso fracciones de segundos. Los centros de las galaxias brillan cuando sus agujeros negros centrales comen materia. Agujeros negros sifón plasma De estrellas cercanas. Las estrellas explotan. Las estrellas de neutrones chocan con los agujeros negros, las estrellas de neutrones chocan con las estrellas de neutrones y los agujeros negros se fusionan con los agujeros negros. Incluso las colisiones distantes de cuerpos celestes pueden generar poderosas ondas que pueden ser detectadas por telescopios e instrumentos espaciales y terrestres. Muchos de estos fenómenos son impredecibles en términos de dónde y cuándo ocurrirán a continuación.

La NASA tiene dos satélites “observadores” con amplios campos de visión que envían alertas cuando detectan un brillo repentino de rayos gamma: Fermi y Swift. El Observador de ráfagas de rayos gamma de Fermi, el Telescopio de área grande y el Telescopio de alerta de ráfagas Swift son instrumentos clave que pueden ser los primeros en detectar estos eventos.

“Cuando sucede algo impulsivo, cuando algo explota y explota, o algo se aplasta y colapsa, eso sucede”, dijo Valerie Connaughton, quien dirige la cartera de Astrofísica de Alta Energía y la Iniciativa de Astronomía en el Dominio del Tiempo y Mensajes Múltiples dentro de la División de Astrofísica de la NASA. Sede en Washington.

Una vez que los científicos reciban una alerta en sus computadoras y teléfonos, podrán asociarse con otros telescopios para seguir el evento. Al utilizar una variedad de observatorios e instrumentos espaciales diferentes para estudiar estos destellos altamente impredecibles, los científicos pueden reconstruir qué, dónde, cuándo y por qué observaron un “intermitente” en el silencio habitual del espacio.

Después de comparar las observaciones del barco desde varios telescopios, los científicos determinaron que esta explosión inusualmente brillante provino de una supernova, específicamente, del colapso del núcleo de una estrella masiva que gira rápidamente. Y más adelante, con datos de la NASA Nustar Durante la misión, los científicos descubrieron que el flujo de material liberado por la explosión de la estrella tenía una forma más compleja de lo que pensaban originalmente.

““Una estrella gigante acaba de explotar y tenemos que estudiarla y descubrir qué pasó, aplicar ingeniería inversa a las piezas y volver a ensamblarlas”, dijo Lesage.

“La astronomía en el dominio del tiempo nos permite obtener respuestas fundamentales sobre las propiedades del universo, la física fundamental misma y el origen de los elementos”.

— Eric Burns, astrofísico, Universidad Estatal de Luisiana

Nuevas señales brillantes

Apenas cinco meses después del barco, los científicos recibieron una alerta de Fermi sobre el segundo estallido de rayos gamma más brillante visto en los últimos 50 años. Esta señal más nueva es GRB 230307A., ocurrido en marzo de 2023, incorporó al barco a la categoría de explosiones “largas” de rayos gamma, con una duración de 200 segundos, frente a los 600 del barco. Gracias a los datos infrarrojos de la NASA Telescopio espacial James WebbLos científicos han determinado que GRB 230307A probablemente tuvo un origen muy diferente: la fusión de dos estrellas de neutrones a unos mil millones de años luz de la Tierra. Además, Webb descubrió el raro elemento telurio, lo que indica esto Estrella neutrón Las fusiones crean artículos pesados ​​como este.

Este resultado todavía desconcierta a astrónomos como Eric Burns, coautor del artículo GRB 230307A y miembro del equipo Fermi de la Universidad Estatal de Luisiana. Las fusiones de estrellas de neutrones no deberían producir explosiones de rayos gamma tan largas, y los modelos actuales de física atómica no explican completamente las longitudes de onda del infrarrojo medio descubiertas por Webb. Espera que Webb nos ayude a aprender más sobre este tipo de eventos en los próximos años.

“La astronomía en el dominio del tiempo nos permite obtener respuestas fundamentales sobre las propiedades del universo, la física fundamental misma y el origen de los elementos”, dijo Burns.

Esta imagen capturada por el instrumento NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) del Telescopio Espacial James Webb de la NASA destaca el estallido de rayos gamma (GRB) 230307A y su kilonova asociada, así como su antigua galaxia madre, entre su hábitat local de otras galaxias y estrellas en primer plano. Los GRB probablemente fueron impulsados ​​por la fusión de dos estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones fueron expulsadas de su galaxia madre, recorriendo una distancia de unos 120.000 años luz, aproximadamente el diámetro de la Vía Láctea, antes de fusionarse finalmente varios cientos de millones de años después. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

Muchos mensajeros

Los “mensajeros” cósmicos asociados con destellos cósmicos transitorios también ayudan a los científicos a reconstruir sus orígenes. Detección inicial de ondas gravitacionales en 2015 por LegoEl Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser demostró que el universo se puede observar de una manera completamente nueva y abrió una nueva era en la que se podrían utilizar múltiples mensajeros para estudiar las fluctuaciones repentinas del universo.

En 2017, los científicos demostraron esta posibilidad combinando observaciones de ondas gravitacionales con datos de varios observatorios terrestres y espaciales diferentes para estudiar una kilonova, o fusión de estrellas de neutrones, llamada GW170817. Entre los conocimientos obtenidos del extenso estudio de estas kilonovas, Burns y sus colegas las utilizaron para realizar la primera medición precisa de la velocidad gravitacional, “la última gran confirmación de la predicción de Einstein”, dijo.

Hoy en día, la red LIGO, apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la VIRGO europea y la KAGRA de Japón, busca eventos de ondas gravitacionales.

En esta ilustración, las estrellas de neutrones condenadas giran hacia su desaparición. Las ondas gravitacionales drenan la energía orbital, lo que hace que las estrellas se acerquen y se fusionen. Cuando chocan, algunos de los escombros son arrastrados por chorros de partículas que se mueven casi a la velocidad de la luz, produciendo un breve estallido de rayos gamma. Fuente de la imagen: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA/Laboratorio de imágenes conceptuales

La luz es el único tipo de “mensajero” del universo que se ha detectado tanto en el barco como en el estallido de rayos gamma que parece haber producido telurio. Un experimento cerca de la Antártida llamado IceCube, apoyado por NSF, buscó neutrinos de alta energía provenientes de la misma región del cielo en cada evento, pero no encontró ninguno. Sin embargo, la falta de neutrinos observados ayuda a los científicos a limitar las posibilidades de cómo ocurren estos eventos.

“Este enfoque de mensajería múltiple es importante, incluso cuando no hay detección”, dijo Michela Nigro, astrofísica y profesora asistente en la Universidad Estatal de Luisiana. “Realmente ayuda a descartar algunos escenarios, además de decirnos algo nuevo cuando hacemos descubrimientos”.

Futuro prometedor

Para Lesage, que está escribiendo su tesis en el barco, la astronomía en el dominio del tiempo y las correspondencias múltiples son un área de estudio apasionante. Él y otros astrónomos siguen ocupados en el mismo barco mientras observan todos los procesos revelados por la luz excepcionalmente brillante de este intenso evento. Pero es seguro que se producirán más acontecimientos transitorios que mantendrán alerta a los científicos mientras los persiguen con una amplia gama de telescopios e instrumentos.

“Son sólo acontecimientos pasajeros, mira ahora o te lo perderás”, dijo Lesage. “Mira lo más rápido que puedas”.

Lectura adicional: Telescopios en el estuche.

En los próximos años, la NASA lanzará nuevos satélites de “observación” para ayudar a buscar eventos transitorios repentinos como este. Incluye varios CubeSatsuna clase de nave espacial en miniatura construida en módulos cúbicos estandarizados que miden 4 pulgadas (10 cm) de cada lado:

• cubo de ráfagaSe lanzará en marzo de 2024 para monitorear señales de rayos gamma.
• BlackCat, que se lanzará en 2025, para detectar luz de rayos X
• Estallido estelarSe lanzará en 2027 para monitorear señales de rayos gamma.

Las asociaciones internacionales también incluyen este tipo de ciencia:

• Gradas (The Transient Ultraviolet Astronomy Satellite), un pequeño satélite de la Agencia Espacial de Israel y del Instituto Weizmann de Ciencias, con un amplio campo de visión especializado en luz ultravioleta, cuenta con aportes de la NASA. Se espera que se lance en 2026.

Además, los telescopios de la NASA con otros objetivos principales pueden ayudar a buscar estos eventos inusuales:

• espírituen su camino hacia el asteroide Psyche, rico en metales, tiene un espectrómetro de rayos gamma que los astrónomos pueden utilizar para detectar explosiones de rayos gamma a medida que la nave espacial viaja hacia su destino durante los próximos años.
• inteligente, que cartografió el cielo en longitudes de onda infrarrojas, encontró muchos objetos distantes y fenómenos cósmicos nuevos. el Nuevas formas La misión, que reutiliza el telescopio WISE, escanea el espacio cercano a la Tierra en busca de asteroides potencialmente peligrosos.
• Telescopio espacial romano Nancy Grace de la NASA, un observatorio infrarrojo que arrojará luz sobre los misterios de la antigua energía oscura y descubrirá miles de exoplanetas, está diseñado para tener una visión amplia del cielo y, sin duda, captará señales infrarrojas fugaces. El observatorio realizará varios estudios para buscar estos fenómenos y la misión apoyará a varios equipos para estudiar temas relacionados que van desde estrellas variables hasta el nacimiento de agujeros negros y galaxias activas. El lanzamiento de Roman está previsto para mayo de 2027 y también proporcionará alertas sobre los cambios en el cielo que detecte.
• Misión Near Earth Object Surveyor (NEO Surveyor). Se utilizarán detectores de infrarrojos para ampliar la búsqueda de asteroides y cometas que puedan representar una amenaza para la Tierra. También se espera que las imágenes que tomará NEO Surveyor capturen muchos objetos distantes del fondo.