Astrónomos sorprendidos por rayos X persistentes años después de la colisión de estrellas de neutrones

Una interpretación artística de la fusión de dos estrellas de neutrones. Crédito: NSF / LIGO / Sonoma State / A. Simonnet

Nueva vista de principio a fin como completa estrella neutrón la fusión reescribe la forma en que los científicos entienden estos eventos.

Han pasado tres años desde la detección histórica de una fusión de estrellas de neutrones ondas gravitacionales. Y desde ese día, un equipo internacional de investigadores dirigido por la astrónoma de la Universidad de Maryland Eleonora Troja ha monitoreado continuamente las emisiones de radiación posteriores para proporcionar la imagen más completa de tal evento.

Su análisis proporciona posibles explicaciones para los rayos X que continuaron irradiando de la colisión mucho después de que los modelos predijeron que se detendrían. El estudio también revela que los modelos actuales de estrellas de neutrones y colisiones de cuerpos compactos carecen de información importante. La investigación fue publicada el 12 de octubre de 2020 en la revista Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

Los investigadores monitorearon continuamente la radiación que emana del primer (y hasta ahora único) evento cósmico detectado tanto en ondas gravitacionales como en todo el espectro de luz. La colisión de la estrella de neutrones detectada el 17 de agosto de 2017 se puede ver en esta imagen de la galaxia NGC 4993. Un nuevo análisis proporciona posibles explicaciones para los rayos X que continuaron irradiando desde la colisión mucho después. otras radiaciones se han desvanecido y mucho más allá de las predicciones del modelo. Crédito: E. Troja

«Estamos entrando en una nueva fase en nuestra comprensión de las estrellas de neutrones», dijo Troja, investigador asociado del Departamento de Astronomía de la UMD y autor principal del artículo. “Realmente no sabemos qué esperar de ahora en adelante, porque no todos nuestros modelos incluían rayos X y nos sorprendió verlos 1,000 días después de que se detectara la colisión. Puede llevar años encontrar la respuesta a lo que está sucediendo, pero nuestra investigación abre la puerta a muchas posibilidades.

La fusión de estrellas de neutrones que estudió el equipo de Troja, GW170817, se identificó por primera vez a partir de ondas gravitacionales detectadas por el interferómetro láser del Observatorio de ondas gravitacionales y su homólogo de Virgo el 17 de agosto de 2017. En cuestión de horas, los telescopios de todo el mundo comenzaron a observar radiación electromagnética, incluidos los rayos gamma y la luz emitida por la explosión. Fue la primera y única vez que los astrónomos pudieron observar la radiación asociada con las ondas de gravedad, aunque sabían desde hace mucho tiempo que se estaba produciendo dicha radiación. Todas las demás ondas de gravedad observadas hasta la fecha provienen de eventos demasiado débiles y demasiado lejanos para que se detecte radiación desde la Tierra.

Segundos después de detectar GW170817, los científicos registraron la explosión inicial de energía, conocida como explosión de rayos gamma, y ​​luego la kilonova más lenta, una nube de gas que estalló detrás de la explosión inicial. La luz de la kilonova duró unas tres semanas y luego se desvaneció. Mientras tanto, nueve días después de que se detectara por primera vez la onda de gravedad, los telescopios observaron algo que nunca antes habían visto: rayos X. Los modelos científicos basados ​​en astrofísica conocida han predicho que cuando el chorro inicial de la colisión de una estrella de neutrones viaja a través del espacio interestelar, crea su propia onda de choque, que emite rayos X, ondas de radio y luz. Esto se conoce como resplandor crepuscular. Pero nunca antes se había observado un resplandor semejante. En este caso, el resplandor crepuscular alcanzó su punto máximo unos 160 días después de que se detectaron las ondas de gravedad y luego se disipó rápidamente. Pero las radiografías permanecieron. Fueron observados por última vez por el Observatorio de rayos X Chandra dos años y medio después de la detección de GW170817.

El nuevo artículo de investigación sugiere algunas posibles explicaciones para las emisiones de rayos X de larga duración. Una posibilidad es que estos rayos X representen una característica completamente nueva del resplandor de una colisión, y la dinámica de un estallido de rayos gamma sea de alguna manera diferente de lo esperado.

«Tener una colisión tan cerca de nosotros que es visible abre una ventana a todo el proceso al que rara vez tenemos acceso», dijo Troja, quien también es investigadora en NASAEl Centro de Vuelo Espacial Goddard. «Puede haber algunos procesos físicos que no hemos incluido en nuestros modelos porque no son relevantes en las etapas anteriores con las que estamos más familiarizados, cuando se forman los chorros».

Otra posibilidad es que la kilonova y la nube de gas en expansión detrás del estallido inicial de radiación hayan creado su propia onda de choque que tardó más en llegar a la Tierra.

«Vimos la kilonova, así que sabemos que esta nube de gas está allí y que los rayos X de su onda de choque pueden simplemente golpearnos», dijo Geoffrey Ryan, becario postdoctoral asociado en el Departamento de Astronomía de la UMD y coautor del estudio. “Pero necesitamos más datos para comprender si esto es lo que estamos viendo. Si es así, puede darnos una nueva herramienta, una firma de esos eventos que no hemos reconocido antes. Puede ayudarnos a encontrar colisiones de estrellas de neutrones en grabaciones de rayos X anteriores «.

Una tercera posibilidad es que haya quedado algo después de la colisión, posiblemente el remanente de una estrella de neutrones emisora ​​de rayos X.

Se necesita un análisis mucho más profundo antes de que los investigadores puedan confirmar exactamente de dónde provienen los rayos X persistentes. Algunas respuestas podrían llegar en diciembre de 2020, cuando los telescopios vuelvan a apuntar a la fuente de GW170817. (La última observación fue en febrero de 2020).

«Puede ser el último aliento de una fuente histórica o el comienzo de una nueva historia, en la que la señal se enciende nuevamente en el futuro y puede permanecer visible durante décadas, si no siglos», dijo Troja. . «Pase lo que pase, este evento cambia lo que sabemos sobre las fusiones de estrellas de neutrones y la reescritura de nuestros modelos».

Referencia: «Mil días después de la fusión: emisión continua de rayos X de GW170817» por E. Troja, H. van Eerten, B. Zhang, G. Ryan, L. Piro, R. Ricci, B. O’Connor, MH Wieringa, SB Cenko y T. Sakamoto, 12 de octubre de 2020, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / staa2626

Los otros autores del artículo del Departamento de Astronomía de la UMD son el asistente de la facultad Brendan O’Connor y el profesor adjunto asistente Stephen Cenko.

Este trabajo fue parcialmente financiado por la NASA (Premio Chandra # G0920071A, NNX16AB66G, NNX17AB18G y 80NSSC20K0389.), La Beca Postdoctoral del Joint Space-Science Institute y el Programa Horizonte 2020 de la Unión Europea (Premio # 871158) . El contenido de este artículo no refleja necesariamente las opiniones de estas organizaciones.