Astronomía

¿Cómo se las arregló Fermi para ver la fusión de estrellas de neutrones?

¿Cómo se las arregló Fermi para ver la fusión de estrellas de neutrones?


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Cuando LIGO / Virgo observó la fusión de estrellas de neutrones GW170817, el telescopio de rayos gamma Fermi observó el evento 2 segundos después de la fusión. ¿Cómo supo dónde y cuándo mirar? Debe llevar algún tiempo rotar el satélite y supongo que la evaluación de los datos de LIGO / Virgo tampoco es instantánea. ¿O es eso? ¿Y envía automáticamente señales sospechosas al centro de operaciones de Fermi para indicarle la ubicación correcta?


Los instrumentos Fermi tienen un campo de visión muy amplio; el detector de ráfagas de rayos gamma cubre todo el cielo no oculto por la tierra con baja precisión angular, y el telescopio de área grande cubre aproximadamente 1/5 de todo el cielo con precisión de minuto de arco. No sé si el LAT estaba apuntando en la dirección correcta (supongo que ~ 20% de probabilidad), pero el detector de ráfagas al menos podría identificar el tiempo de la señal de rayos gamma de la colisión desde casi cualquier lugar en el cielo.


Las primeras observaciones de la fusión de estrellas de neutrones marcan una nueva era en astronomía

Hace dos meses, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser avanzado (LIGO) notificó a los astrónomos de todo el mundo sobre la posible detección de ondas gravitacionales a partir de la fusión de dos estrellas de neutrones. A partir de ese momento, el 17 de agosto, comenzó la carrera para detectar una contraparte visible, porque a diferencia de los agujeros negros en colisión responsables de las cuatro detecciones anteriores de ondas gravitacionales de LIGO, se esperaba que este evento produjera una brillante explosión de luz visible y otros tipos de radiación. .

Un pequeño equipo dirigido por Ryan Foley, profesor asistente de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz, fue el primero en encontrar la fuente de las ondas gravitacionales, ubicada en una galaxia a 130 millones de años luz de distancia llamada NGC 4993. El equipo de Foley capturó el Primeras imágenes del evento con el Telescopio Swope de 1 metro en el Observatorio Las Campanas de la Carnegie Institution en Chile.

"Este es un gran descubrimiento", dijo Foley. "Finalmente estamos conectando estas dos formas diferentes de mirar el universo, observando lo mismo en ondas de luz y gravitacionales, y solo por eso, este es un evento histórico. Es como poder ver y escuchar algo al mismo tiempo. "

El astrofísico teórico Enrico Ramirez-Ruiz, profesor y presidente de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz y miembro del equipo de Foley, dijo que las observaciones han abierto una nueva ventana para comprender la física de las fusiones de estrellas de neutrones. Entre otras cosas, los resultados podrían resolver una cuestión muy debatida sobre los orígenes del oro y otros elementos pesados ​​en el universo, que Ramírez-Ruiz ha estado estudiando durante años.

"Creo que esto puede probar nuestra idea de que la mayoría de estos elementos se forman en fusiones de estrellas de neutrones", dijo. "Estamos viendo que los elementos pesados ​​como el oro y el platino se fabrican en tiempo real".

El equipo de Foley publicará cuatro artículos el 16 de octubre en Ciencias basados ​​en sus observaciones y análisis, así como en tres artículos en Astrophysical Journal Letters, y son coautores de varios artículos más en Nature y otras revistas, incluidos dos artículos importantes liderados por la colaboración LIGO. Los artículos clave de Science incluyen uno que presenta el descubrimiento de la primera contraparte óptica de una fuente de ondas gravitacionales, dirigido por el estudiante graduado de UCSC David Coulter, y otro, dirigido por el becario postdoctoral Charles Kilpatrick, que presenta una comparación de vanguardia de la observaciones con modelos teóricos para confirmar que se trataba de una fusión de estrellas de neutrones. Otros dos artículos científicos fueron dirigidos por colaboradores de Foley en la Carnegie Institution for Science.

Casualmente, la detección de LIGO se produjo el último día de un taller científico sobre "Astrofísica con detecciones de ondas gravitacionales", que Ramírez-Ruiz había organizado en el Instituto Niels Bohr de Copenhague y donde Foley acababa de dar una charla. "Ojalá hubiéramos filmado la charla de Ryan, porque estaba muy triste acerca de nuestras posibilidades de observar una fusión de estrellas de neutrones", dijo Ramírez-Ruiz. "Pero luego pasó a delinear su estrategia, y fue esa estrategia la que permitió a su equipo encontrarla antes que nadie".

La estrategia de Foley implicó priorizar las galaxias dentro del campo de búsqueda indicado por el equipo de LIGO, apuntar a aquellas con más probabilidades de albergar pares binarios de estrellas de neutrones y obtener la mayor cantidad posible de esas galaxias en cada campo de visión. Otros equipos cubrieron el campo de búsqueda de manera más metódica, "como cortar el césped", dijo Foley. Su equipo encontró la fuente en el noveno campo que observaron, luego de esperar 10 horas a que se pusiera el sol en Chile.

"Tan pronto como se puso el sol, comenzamos a buscar", dijo Foley. "Al encontrarlo tan rápido como lo hicimos, pudimos crear un conjunto de datos realmente bueno".

Señaló que la fuente era lo suficientemente brillante como para haber sido vista por astrónomos aficionados, y probablemente habría sido visible desde África horas antes de que fuera visible en Chile. Los rayos gamma emitidos por la fusión de estrellas de neutrones fueron detectados por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi casi al mismo tiempo que las ondas gravitacionales, pero los datos de Fermi no dieron mejor información sobre la ubicación de la fuente que LIGO.

El equipo de Foley tomó la primera imagen de la fuente óptica 11 horas después de la detección de LIGO y, después de confirmar su descubrimiento, la anunció a la comunidad astronómica una hora más tarde. Docenas de otros equipos siguieron rápidamente con observaciones de otros telescopios. El equipo de Foley también obtuvo los primeros espectros de la fuente con los Telescopios de Magallanes en el Observatorio Las Campanas de Carnegie.

La fuente de ondas gravitacionales se denominó GW170817 y la fuente óptica se denominó Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a). Aproximadamente siete días después, la fuente se había desvanecido y ya no se podía detectar en luz visible. Sin embargo, aunque era visible, los astrónomos pudieron recopilar un tesoro de datos sobre este extraordinario fenómeno astrofísico.

"Es un conjunto de datos tan rico, la cantidad de ciencia que se obtiene de esta única cosa es increíble", dijo Ramírez-Ruiz.

Las estrellas de neutrones se encuentran entre las formas de materia más exóticas del universo, consisten casi en su totalidad en neutrones y son tan densas que un terrón de azúcar de material de estrella de neutrones pesaría alrededor de mil millones de toneladas. La violenta fusión de dos estrellas de neutrones expulsa una gran cantidad de este material rico en neutrones, impulsando la síntesis de elementos pesados ​​en un proceso llamado captura rápida de neutrones, o "proceso r".

La radiación que emite no se parece en nada a una supernova ordinaria o una estrella en explosión. Astrofísicos como Ramírez-Ruiz han desarrollado modelos numéricos para predecir cómo sería un evento de este tipo, llamado kilonova, pero esta es la primera vez que se observa uno con tanto detalle. Kilpatrick dijo que los datos encajan notablemente bien con las predicciones de los modelos teóricos.

"No se parece a nada que hayamos visto antes", dijo. "Se puso muy brillante muy rápidamente, luego comenzó a desvanecerse rápidamente, cambiando de azul a rojo a medida que se enfriaba. Es completamente sin precedentes".

Una síntesis teórica de datos de todo el espectro, desde ondas de radio hasta rayos gamma, fue dirigida por Ariadna Murguia-Berthier, una estudiante graduada que trabaja con Ramirez-Ruiz, y publicada en Astrophysical Journal Letters, proporcionando un marco teórico coherente para comprender la totalidad rango de observaciones. Su análisis indica, por ejemplo, que la fusión desencadenó un chorro relativista (material que se movía cerca de la velocidad de la luz) que generó el estallido de rayos gamma, mientras que la materia arrancada del sistema de fusión y expulsada a velocidades más bajas impulsó el proceso r y las emisiones de kilonova en longitudes de onda ultravioleta, óptica e infrarroja.

Ramírez-Ruiz ha calculado que una sola fusión de estrellas de neutrones puede generar una cantidad de oro igual a la masa de Júpiter. Los cálculos del equipo de la producción de elementos pesados ​​por SSS17a sugieren que las fusiones de estrellas de neutrones pueden representar aproximadamente la mitad de todos los elementos más pesados ​​que el hierro en el universo.

La detección se produjo solo una semana antes del final de la segunda serie de observación de LIGO, que había comenzado en noviembre de 2016. Foley estaba en Copenhague, aprovechando su única tarde libre para visitar los Jardines de Tivoli con su socio, cuando recibió un mensaje de texto de Coulter alertando él a la detección de LIGO. Al principio, pensó que era una broma, pero pronto estaba pedaleando locamente en su bicicleta de regreso a la Universidad de Copenhague para comenzar a trabajar con su equipo en un plan de búsqueda detallado.

"Fue una locura. Apenas lo logramos, pero nuestro equipo fue increíble y todo salió bien", dijo Foley. "Tuvimos suerte, pero la suerte favorece a los preparados, y estábamos listos".

El equipo de Foley en UC Santa Cruz incluye a Ramirez-Ruiz, Coulter, Kilpatrick, Murguia-Berthier, el profesor de astronomía y astrofísica J. Xavier Prochaska, el investigador postdoctoral Yen-Chen Pan y los estudiantes graduados Matthew Siebert, Cesar Rojas-Bravo y Enia Xhakaj. Otros miembros del equipo incluyen a Maria Drout, Ben Shappee y Tony Piro en los Observatorios de la Carnegie Institution for Science UC Berkeley, el astrónomo Daniel Kasen y Armin Rest en el Space Telescope Science Institute.

Su equipo se llama Colaboración de un metro y dos hemisferios (1M2H) porque utilizan dos telescopios de un metro, uno en cada hemisferio: el telescopio de níquel del Observatorio Lick de la UC y el telescopio Swope de Carnegie en Chile. El grupo UCSC cuenta con el apoyo en parte de la National Science Foundation, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Heising-Simons y las becas de la Fundación Kavli para Foley y Ramirez-Ruiz de la Fundación David y Lucile Packard y para Foley de Alfred P. Sloan Fundación de una Cátedra Niels Bohr para Ramirez-Ruiz de la Danish National Research Foundation y el Instituto UC para México y Estados Unidos (UC MEXUS).

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Estrellas de neutrones condenadas crean explosiones de luz y ondas gravitacionales

Poco después de las 8:41 a.m.EDT del 17 de agosto, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA recogió un pulso de luz de alta energía de una poderosa explosión, que se informó de inmediato a los astrónomos de todo el mundo como un breve estallido de rayos gamma. Los científicos de la National Science Foundation & # 8217s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectaron ondas gravitacionales denominadas GW170817 de un par de estrellas rotas vinculadas al estallido de rayos gamma, lo que alienta a los astrónomos a buscar las secuelas de la explosión. Poco después, el estallido fue detectado como parte de un análisis de seguimiento realizado por el satélite INTEGRAL de la ESA & # 8217s (Agencia Espacial Europea & # 8217s).

Las misiones Swift, Hubble, Chandra y Spitzer de la NASA, junto con docenas de observatorios terrestres, incluida la encuesta Pan-STARRS financiada por la NASA, capturaron más tarde el resplandor de los escombros en expansión de la explosión.

Las estrellas de neutrones son los núcleos sobrantes aplastados de estrellas masivas que anteriormente explotaron como supernovas hace mucho tiempo. Las estrellas fusionadas probablemente tenían masas entre un 10 y un 60 por ciento mayores que las de nuestro Sol, pero no eran más anchas que Washington, D.C. El par giraba entre sí cientos de veces por segundo, produciendo ondas gravitacionales con la misma frecuencia. A medida que se acercaban y orbitaban más rápido, las estrellas finalmente se separaron y fusionaron, produciendo tanto un estallido de rayos gamma como un estallido raramente visto llamado "kilonova".

Las fusiones de estrellas de neutrones producen una amplia variedad de luz porque los objetos forman una vorágine de escombros calientes cuando chocan. La fusión de los agujeros negros, los tipos de eventos que LIGO y su contraparte europea, Virgo, han visto anteriormente, probablemente consuman cualquier materia a su alrededor mucho antes de que se estrellen, por lo que no esperamos el mismo tipo de espectáculo de luces.

A las pocas horas de la detección inicial de Fermi, LIGO y el detector Virgo en el Observatorio Gravitacional Europeo cerca de Pisa, Italia, refinaron en gran medida la posición del evento en el cielo con un análisis adicional de los datos de ondas gravitacionales. Luego, los observatorios terrestres localizaron rápidamente una nueva fuente óptica e infrarroja, la kilonova, en NGC 4993.

Para Fermi, esto pareció ser un estallido corto típico de rayos gamma, pero ocurrió a menos de una décima parte de la distancia que cualquier otro estallido corto con una distancia conocida, lo que lo convierte en uno de los más débiles conocidos. Los astrónomos todavía están tratando de descubrir por qué este estallido es tan extraño y cómo este evento se relaciona con los estallidos de rayos gamma más luminosos observados a distancias mucho mayores.

Las misiones Swift, Hubble y Spitzer de la NASA siguieron la evolución de la kilonova para comprender mejor la composición de este material de movimiento más lento, mientras que Chandra buscaba rayos X asociados con los restos del jet ultrarrápido.

Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio CI

Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio CI

Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio CI

Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio CI

Música: "Exploding Skies" de Killer Tracks

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Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Laboratorio CI

Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Crédito: Fundación Nacional de Ciencias / LIGO / Universidad Estatal de Sonoma / A. Simonnet


Encontrar la señal

El 17 de agosto a las 8:41 a.m. ET, justo antes de que LIGO y Virgo estuvieran programados para detener las observaciones después de una carrera de meses, ambos observatorios de LIGO en Washington y Luisiana captaron lo que parecía ser una señal de onda gravitacional. Inmediatamente, los astrónomos sospecharon que era por la colisión de dos estrellas de neutrones, ya que la onda perturbó los instrumentos de LIGO durante más de un minuto y medio (mucho más que las señales anteriores de los agujeros negros, que duraron solo fracciones de segundo). Era una señal de que los objetos fusionados eran mucho más pequeños que los agujeros negros. "Las estrellas de neutrones son mucho más pequeñas que los agujeros negros, por lo que se acercan mucho más antes de fusionarse", dice Laura Cadonati, colaboradora de LIGO y profesora de física en el Instituto de Tecnología de Georgia. El borde. "Para que pueda observar las olas durante mucho tiempo y obtener una señal agradable, larga y hermosa".

Una representación de la fusión de estrellas de neutrones en el momento del impacto. Imagen: Carnegie Institution for Science

Al mismo tiempo que LIGO recibió su señal, el telescopio espacial Fermi de la NASA (en órbita alrededor de la Tierra) detectó una intensa explosión de luz de alta energía, conocida como explosión de rayos gamma, proveniente del espacio profundo. Los astrónomos han sospechado que las estrellas de neutrones pueden crear estos rayos de radiación de alta energía cuando chocan porque las explosiones son muy calientes y poderosas. La detección de una ráfaga al mismo tiempo que una señal de onda hizo que los astrónomos confiaran en que estaban viendo la fusión de dos estrellas de neutrones.

Mientras tanto, los astrónomos inicialmente pensaron que Virgo había perdido la señal, ya que no aparecía en los datos del observatorio. Pero después de una mirada más profunda, los científicos se dieron cuenta de que Virgo tenido lo recogió, la señal de onda era increíblemente débil. Resultó que la fusión ocurrió en una parte del cielo que es un punto ciego para Virgo, que es un subproducto de la ubicación del observatorio en la Tierra. "Virgo de alguna manera lo pasó por alto, porque resultó estar en una parte estrecha del cielo donde Virgo no pudo atraparlo", dice Kalogera.

Pero el hecho de que Virgo lo pasó por alto en realidad ayudó Los astrónomos averiguan de dónde venía la señal: los científicos sabían el lugar exacto en el cielo del sur que Virgo no podía ver. Ese conocimiento, combinado con los datos de los dos observatorios de LIGO, ayudó a la colaboración a identificar exactamente de dónde venían las olas, reduciendo el hogar de la señal a un parche de cielo de solo 30 grados cuadrados. Esa es una pequeña muestra del cielo nocturno, que tiene 40.000 grados cuadrados.


Una nueva era en astronomía: primeras observaciones de la fusión de estrellas de neutrones

La fusión de dos estrellas de neutrones generó una kilonova brillante observada por los astrónomos de UC Santa Cruz, como se muestra en la ilustración de este artista.

Hace dos meses, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser Avanzado (LIGO) notificó a los astrónomos de todo el mundo sobre la posible detección de ondas gravitacionales a partir de la fusión de dos estrellas de neutrones.

La primera imagen óptica de una fuente de ondas gravitacionales fue tomada por un equipo dirigido por el astrónomo Ryan Foley de UC Santa Cruz. Esta imagen de Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a, indicada por una flecha) muestra la luz emitida por la fusión cataclísmica de dos estrellas de neutrones.
Crédito: Equipo 1M2H / Observatorios UC Santa Cruz y Carnegie / Ryan Foley

A partir de ese momento, el 17 de agosto, comenzó la carrera para detectar una contraparte visible, porque a diferencia de los agujeros negros en colisión responsables de las cuatro detecciones anteriores de ondas gravitacionales de LIGO, se esperaba que este evento produjera una brillante explosión de luz visible y otros tipos de radiación. .

Un pequeño equipo dirigido por Ryan Foley, profesor asistente de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz, fue el primero en encontrar la fuente de las ondas gravitacionales, ubicada en una galaxia a 130 millones de años luz de distancia llamada NGC 4993. El equipo de Foley capturó el Primeras imágenes del evento con el Telescopio Swope de 1 metro en el Observatorio Las Campanas de la Carnegie Institution en Chile.

"Este es un gran descubrimiento", dijo Foley. "Finalmente estamos conectando estas dos formas diferentes de mirar el universo, observando lo mismo en ondas de luz y gravitacionales, y solo por eso, este es un evento histórico. Es como poder ver y escuchar algo al mismo tiempo. "

Nueva ventana

El astrofísico teórico Enrico Ramirez-Ruiz, profesor y presidente de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz y miembro del equipo de Foley, dijo que las observaciones han abierto una nueva ventana para comprender la física de las fusiones de estrellas de neutrones. Entre otras cosas, los resultados podrían resolver una cuestión muy debatida sobre los orígenes del oro y otros elementos pesados ​​en el universo, que Ramírez-Ruiz ha estado estudiando durante años.

"Creo que esto puede probar nuestra idea de que la mayoría de estos elementos se forman en fusiones de estrellas de neutrones", dijo. "Estamos viendo que los elementos pesados ​​como el oro y el platino se fabrican en tiempo real".

El equipo de Foley publicará cuatro artículos el 16 de octubre en Science basados ​​en sus observaciones y análisis, así como tres artículos en Astrophysical Journal Letters, y son coautores de varios artículos más en Nature y otras revistas, incluidos dos artículos principales liderados por la colaboración LIGO. . Los artículos clave de Science incluyen uno que presenta el descubrimiento de la primera contraparte óptica de una fuente de ondas gravitacionales, dirigido por el estudiante graduado de UC Santa Cruz, David Coulter, y otro, dirigido por el becario postdoctoral Charles Kilpatrick, que presenta una comparación de vanguardia. de las observaciones con modelos teóricos para confirmar que se trataba de una fusión de estrellas de neutrones.Otros dos artículos científicos fueron dirigidos por colaboradores de Foley en la Carnegie Institution for Science.

Casualmente, la detección de LIGO se produjo el último día de un taller científico sobre "Astrofísica con detecciones de ondas gravitacionales", que Ramírez-Ruiz había organizado en el Instituto Niels Bohr de Copenhague y donde Foley acababa de dar una charla. "Ojalá hubiéramos filmado la charla de Ryan, porque estaba muy triste acerca de nuestras posibilidades de observar una fusión de estrellas de neutrones", dijo Ramírez-Ruiz. "Pero luego pasó a delinear su estrategia, y fue esa estrategia la que permitió a su equipo encontrarla antes que nadie".

Estrategia

El equipo de UC Santa Cruz encontró SSS17a comparando una nueva imagen de la galaxia N4993 (derecha) con imágenes tomadas cuatro meses antes por el Telescopio Espacial Hubble (izquierda).
Crédito: Izquierda, Hubble / STScI Derecha, Equipo 1M2H / Observatorios UC Santa Cruz y Carnegie / Ryan Foley

La estrategia de Foley implicó priorizar las galaxias dentro del campo de búsqueda indicado por el equipo de LIGO, apuntar a aquellas con más probabilidades de albergar pares binarios de estrellas de neutrones y obtener la mayor cantidad posible de esas galaxias en cada campo de visión. Otros equipos cubrieron el campo de búsqueda de manera más metódica, "como cortar el césped", dijo Foley. Su equipo encontró la fuente en el noveno campo que observaron, luego de esperar 10 horas a que se pusiera el sol en Chile.

"Tan pronto como se puso el sol, comenzamos a buscar", dijo Foley. "Al encontrarlo tan rápido como lo hicimos, pudimos crear un conjunto de datos realmente bueno".

Señaló que la fuente era lo suficientemente brillante como para haber sido vista por astrónomos aficionados, y probablemente habría sido visible desde África horas antes de que fuera visible en Chile. Los rayos gamma emitidos por la fusión de estrellas de neutrones fueron detectados por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi casi al mismo tiempo que las ondas gravitacionales, pero los datos de Fermi no proporcionaron mejor información sobre la ubicación de la fuente que LIGO.

El equipo de Foley tomó la primera imagen de la fuente óptica 11 horas después de la detección de LIGO y, después de confirmar su descubrimiento, la anunció a la comunidad astronómica una hora más tarde. Docenas de otros equipos siguieron rápidamente con observaciones de otros telescopios. El equipo de Foley también obtuvo los primeros espectros de la fuente con los Telescopios de Magallanes en el Observatorio Las Campanas de Carnegie.

Conjunto de datos enriquecido

La Colaboración 1M2H descubrió SSS17a utilizando el Telescopio Swope de 1 metro en el Observatorio Las Campanas de la Carnegie Institution en Chile. (
Crédito: Observatorios de la Carnegie Institution for Science

La fuente de ondas gravitacionales se denominó GW170817 y la fuente óptica se denominó Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a). Aproximadamente siete días después, la fuente se había desvanecido y ya no se podía detectar en luz visible. Sin embargo, aunque era visible, los astrónomos pudieron recopilar un tesoro de datos sobre este extraordinario fenómeno astrofísico.

"Es un conjunto de datos tan rico, la cantidad de ciencia que se obtiene de esta única cosa es increíble", dijo Ramírez-Ruiz.

Las estrellas de neutrones se encuentran entre las formas de materia más exóticas del universo, consisten casi en su totalidad en neutrones y son tan densas que un terrón de azúcar de material de estrella de neutrones pesaría alrededor de mil millones de toneladas. La violenta fusión de dos estrellas de neutrones expulsa una gran cantidad de este material rico en neutrones, impulsando la síntesis de elementos pesados ​​en un proceso llamado captura rápida de neutrones, o "proceso r".

La radiación que emite no se parece en nada a una supernova ordinaria o una estrella en explosión. Astrofísicos como Ramírez-Ruiz han desarrollado modelos numéricos para predecir cómo sería un evento de este tipo, llamado kilonova, pero esta es la primera vez que se observa uno con tanto detalle. Kilpatrick dijo que los datos encajan notablemente bien con las predicciones de los modelos teóricos.

Se cree que la fusión violenta de dos estrellas de neutrones implica tres procesos principales de transferencia de energía, que se muestran en este diagrama, que dan lugar a los diferentes tipos de radiación que ven los astrónomos, incluida una explosión de rayos gamma y una explosión de kilonova vista en luz visible. . A medida que las dos estrellas giran en espiral una hacia la otra y se fusionan para formar una estrella de neutrones "hipermasiva", una pequeña fracción de la materia es expulsada en una cola de marea (etiquetada como "componente rojo" en el diagrama). La fusión genera una breve explosión de rayos gamma resultante de dos chorros de material que salen de los polos rotacionales de la fusión a una velocidad cercana a la de la luz, probablemente desencadenada después del colapso del remanente en un agujero negro. Además, una salida intensa de neutrinos de la estrella de neutrones hipermasiva impulsa un viento de material que se mueve a aproximadamente una décima parte de la velocidad de la luz (denominado "componente azul" en el diagrama). Las longitudes de onda azul y roja que dominan la luz de la kilonova en diferentes etapas son el resultado de diferentes elementos en el material expulsado, que se calienta mediante procesos de desintegración radiactiva.
Crédito: Murguia-Berthier et al., Science

"No se parece a nada que hayamos visto antes", dijo. "Se puso muy brillante muy rápidamente, luego comenzó a desvanecerse rápidamente, cambiando de azul a rojo a medida que se enfriaba. Es completamente sin precedentes".

Una síntesis teórica de datos de todo el espectro, desde ondas de radio hasta rayos gamma, fue dirigida por Ariadna Murguia-Berthier, una estudiante graduada que trabaja con Ramirez-Ruiz, y publicada en Astrophysical Journal Letters, proporcionando un marco teórico coherente para comprender la totalidad rango de observaciones. Su análisis indica, por ejemplo, que la fusión desencadenó un chorro relativista (material que se movía cerca de la velocidad de la luz) que generó el estallido de rayos gamma, mientras que la materia arrancada del sistema de fusión y expulsada a velocidades más bajas impulsó el proceso r y las emisiones de kilonova en longitudes de onda ultravioleta, óptica e infrarroja.

Ramírez-Ruiz ha calculado que una sola fusión de estrellas de neutrones puede generar una cantidad de oro igual a la masa de Júpiter. Los cálculos del equipo de la producción de elementos pesados ​​por SSS17a sugieren que las fusiones de estrellas de neutrones pueden representar aproximadamente la mitad de todos los elementos más pesados ​​que el hierro en el universo.

No es una broma

La detección se produjo apenas una semana antes del final de la segunda serie de observación de LIGO, que había comenzado en noviembre de 2016. Foley estaba en Copenhague, aprovechando su única tarde libre para visitar los Jardines de Tivoli con su socio, cuando recibió un mensaje de texto de Coulter alertando él a la detección de LIGO. Al principio, pensó que era una broma, pero pronto estaba pedaleando locamente en su bicicleta de regreso a la Universidad de Copenhague para comenzar a trabajar con su equipo en un plan de búsqueda detallado.

"Fue una locura. Apenas lo logramos, pero nuestro equipo fue increíble y todo salió bien", dijo Foley. "Tuvimos suerte, pero la suerte favorece a los preparados, y estábamos listos".

El equipo de Foley en UC Santa Cruz incluye a Ramirez-Ruiz, Coulter, Kilpatrick, Murguia-Berthier, el profesor de astronomía y astrofísica J. Xavier Prochaska, el investigador postdoctoral Yen-Chen Pan y los estudiantes graduados Matthew Siebert, Cesar Rojas-Bravo y Enia Xhakaj . Otros miembros del equipo incluyen a Maria Drout, Ben Shappee y Tony Piro en los Observatorios de la Carnegie Institution for Science UC Berkeley, el astrónomo Daniel Kasen y Armin Rest en el Space Telescope Science Institute.

Su equipo se llama Colaboración de un metro y dos hemisferios (1M2H) porque utilizan dos telescopios de un metro, uno en cada hemisferio: el telescopio de níquel del Observatorio Lick de la UC y el telescopio Swope de Carnegie en Chile. El grupo de UC Santa Cruz es apoyado en parte por la National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, Heising-Simons Foundation y Kavli Foundation becas para Foley y Ramirez-Ruiz de la David and Lucile Packard Foundation y para Foley de Alfred P Sloan Foundation, una cátedra Niels Bohr para Ramírez-Ruiz de la Danish National Research Foundation y el Instituto UC para México y Estados Unidos (UC MEXUS).

Obtenga más información sobre las teorías del astrofísico de UC Santa Cruz Enrico Ramirez-Ruiz sobre cómo las fusiones de neutrones podrían generar oro a continuación.


Sobre la fusión de estrellas de neutrones

Había pensado en volver directamente a las noticias actuales después de Sueños Centauri'Una pausa reciente, pero esa nunca es una solución completamente satisfactoria, especialmente cuando ocurren eventos importantes mientras estoy fuera. No quiero simplemente repetir lo que todos ya han leído sobre el evento de ondas gravitacionales GW170817, pero hay algunas cosas que me llamaron la atención y que podemos discutir esta mañana. Después de todo, estamos lidiando con un nuevo fenómeno & # 8212 kilonovae & # 8212 que ha sido predicho pero nunca observado. Nunca antes hemos vinculado los eventos de ondas gravitacionales a la luz visible.

Imagen: Impresión artística de la fusión de estrellas de neutrones. Crédito: ESO.

Ahora estamos viendo la combinación de ondas gravitacionales y astronomía electromagnética en lo que promete ser un nuevo campo fértil de estudio. El quinto evento de GW jamás observado, GW170817 fue detectado el 17 de agosto de este año por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) en los Estados Unidos, trabajando con el Interferómetro Virgo en Italia. En menos de dos segundos, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi y el laboratorio internacional de astrofísica de rayos gamma (INTEGRAL) de la ESA detectaron un estallido de rayos gamma procedente de la misma zona del cielo.

La naturaleza colaborativa de las observaciones que siguieron es todo un logro. Lo que nuestros detectores de ondas gravitacionales pueden darnos es una amplia ventana en el cielo dentro de la cual se puede confinar el evento, una que contiene millones de estrellas y está localizada en un área de unos 35 grados cuadrados. Los telescopios que buscaron la fuente incluyeron el telescopio de exploración visible e infrarrojo de ESO para astronomía (VISTA) y el telescopio de exploración VLT (VST) en el Observatorio Paranal, el telescopio italiano Rapid Eye Mount (REM) en el Observatorio La Silla de ESO, el telescopio LCO de 0,4 metros. en el Observatorio Las Cumbres y el American DECam en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo. Pan-STARRS y Subaru en Hawái se unieron rápidamente.

No seguiré enumerándolos aquí, pero alrededor de 70 observatorios de todo el mundo se pusieron a trabajar en GW170817, con el instrumento Swope de 1 metro en Chile anunciando un nuevo punto de luz cerca de la galaxia lenticular NGC 4993 en Hydra, rápidamente verificado por Observaciones de VISTA en el infrarrojo. Las estimaciones de distancia coincidieron con la distancia de 130 millones de años luz de NGC 4993, por lo que lo que tenemos es el evento de onda gravitacional más cercano detectado hasta ahora y un estallido de rayos gamma relativamente cercano.

Imagen: Un mapa de los aproximadamente 70 observatorios basados ​​en la luz que detectaron el evento de ondas gravitacionales llamado GW170817. El 17 de agosto, los detectores LIGO y Virgo detectaron ondas gravitacionales de dos estrellas de neutrones en colisión. Los telescopios basados ​​en luz de todo el mundo observaron las secuelas de la colisión en las horas, días y semanas siguientes. Ayudaron a precisar la ubicación de las estrellas de neutrones e identificaron signos de elementos pesados, como el oro, en el material expulsado de la colisión. Crédito: LIGO-Virgo.

Esta es la primera vez que me encuentro con el término "kilonova", aunque la idea detrás de él tiene décadas. Las propiedades de este evento rastrean predicciones teóricas que se han utilizado para explicar breves explosiones de rayos gamma, eventos mil veces más brillantes que una nova típica. La detección simultánea de ondas gravitacionales y rayos gamma de esta fuente proporciona una evidencia poderosa. La fusión de dos estrellas de neutrones, que se cree que es la causa del evento, ha producido una explosión de elementos pesados ​​que se mueven hacia afuera tan rápido como .20 C.

Cada estrella de neutrones en el binario que se fusionó pesaba entre 1 y 2 masas solares, lo que dificulta la detección de su fusión porque son mucho más pequeñas que los eventos de agujeros negros que hemos observado anteriormente. Así Eliot Quataert (UC-Berkeley):

“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, lo que es aún más sorprendente, ¡resulta que la mayoría de nuestras predicciones de cómo se verían las fusiones de estrellas de neutrones vistas por telescopios normales eran correctas! ”.

Así ampliamos nuestra comprensión de cómo se crean los elementos pesados, un proceso que puede ocurrir en los núcleos estelares a través de la fusión hasta el hierro. La forma en que se producen los elementos más allá del hierro siempre ha sido un problema importante en astrofísica, pero las fusiones de estrellas de neutrones ofrecen una solución. Evidentemente, fue Quataert, en colaboración con Brian Metzger (Universidad de Columbia) y Daniel Kasen (UC-Berkeley), quien aplicó el término "kilonova" a tales eventos en un artículo de 2010 (consulte este comunicado de prensa de UC-Berkeley). Kasen se refiere a los escombros de la fusión de estrellas de neutrones como "cosas raras" # 8212, una mezcla de metales preciosos y desechos radiactivos.

Y Jennifer Barnes, postdoctoral de Columbia, que había trabajado con Kasen en Berkeley, ayudó a definir cómo debería verse 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 más de cien veces más opacos de lo que estamos acostumbrados a ver en las explosiones astrofísicas ”, dijo Barnes. "Si los elementos pesados ​​están presentes en los escombros de la fusión, su alta opacidad debería dar a las kilonovas un tono rojizo".

Imagen: Un equipo de astrónomos de UC Santa Cruz dirigido por el ex estudiante graduado de UC Berkeley Ryan Foley fue el primero en detectar la luz de la fusión de estrellas de neutrones 11 horas después de que las ondas gravitacionales de la colisión llegaran a la Tierra. La imagen de la izquierda muestra que el resplandor (flecha roja) no estaba allí cuatro meses antes. Crédito: UC-SC, Swopes Telescope y Hubble.

Las observaciones se ajustan a los cálculos, con el color del evento de fusión sombreado de un azul anterior a la firma rojiza que muestra los elementos más pesados ​​de la nube de escombros interna.

Imagen: Tres días después de la fusión y explosión, el resplandor azul brillante de los elementos más ligeros en las regiones polares exteriores está comenzando a desvanecerse, dando paso al resplandor rojo de los elementos más pesados ​​en la rosquilla circundante y el núcleo esférico. El resplandor rojo persistió durante más de dos semanas. Crédito: Dan Kasen.

Aproximadamente el 6 por ciento de la masa solar de elementos pesados ​​salió de todo esto, un rendimiento de oro solo que fue de más de 200 masas terrestres y un rendimiento de platino de casi 500 masas terrestres. Las fusiones de estrellas de neutrones, al parecer, pueden explicar todo el oro en el universo visible. Hasta aquí la idea de que lo que ahora podemos llamar supernovas "ordinarias" puedan explicar los elementos pesados ​​más allá del hierro. Claramente, las fusiones de estrellas de neutrones son un factor clave. La astronomía de ondas gravitacionales ya está dando sus frutos.

Aquellos que quieran profundizar en los documentos sobre GW170817 pueden comenzar con Kasen et al., "Origen de los elementos pesados ​​en las fusiones binarias de estrellas de neutrones a partir de un evento de ondas gravitacionales". Naturaleza 16 de octubre de 2017 (resumen), así como Arcavi et al., "Emisión óptica de una kilonova después de una fusión de estrella de neutrones detectada por ondas gravitacionales", Naturaleza 16 de octubre de 2017 (resumen) y trabajo a partir de ahí. El comunicado de prensa de UC-Berkeley citado anteriormente contiene enlaces a una variedad de fuentes clave.

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Guau. Siempre pensé que la supernova & # 8217s hizo el oro. Es por eso que el oro es tan raro, no las supernovas. Leí que los átomos más ligeros absorben más la luz hacia el ultravioleta y los átomos más pesados ​​absorben más hacia el infrarrojo. fuente. Absolutamente pequeño. Puedo ver que esa idea funciona a través de la percepción remota de los elementos con electromagnetismo. Nunca escuché la palabra Kilonova para la colisión de estrellas de neutrones también.

Para completar el conjunto LIGO, ahora estamos esperando para detectar una fusión de un agujero negro con una estrella de neutrones y la detección directa de ondas de una supernova o hipernova. Se producirán comprobaciones aún más refinadas de la precisión de la GR. Ambos candidatos deben tener contrapartes ópticas y, por lo tanto, darán un gran espectáculo.

Todavía no he escuchado ninguna explicación para el retraso de casi dos segundos entre la fusión (como lo indican las ondas de gravedad) y la emisión de los rayos gamma. ¿Alguien entiende esto?

Creo que se llama Efecto Shapiro. Los GW & # 8217 no se ven afectados por los campos magnéticos y, por lo tanto, viajan en una LÍNEA DE ESTRECHO ABSOLUTA, mientras que los campos magnéticos hacen que los EMW & # 8217 se descorchen de una manera extremadamente diminuta, lo que significa que la DISTANCIA total que recorren los EMW & # 8217 es muy, MUY ligeramente MAYOR que la distancia que recorren los GW & # 8217s.

& # 8220 a la espera de detectar una fusión de un agujero negro con una estrella de neutrones, y la detección directa de ondas de una supernova o hipernova & # 8221

Es probable que la relación de masa entre un BH y una estrella de neutrones sea grande, por lo que la emisión de ondas gravitacionales sería débil, por lo que el evento tendría que ser cercano. Las supernovas, etc. requieren una gran asimetría para dar lugar a ondas gravitacionales apreciables. Y la frecuencia más baja está (según recuerdo) fuera del rango de sensibilidad de LIGO & # 8217s. Sería bueno ver todo esto, pero no contenga la respiración.

Encontré el gráfico que estaba buscando. Traza la amplitud (por tensión detectable) y la frecuencia por instrumento GW y clase de evento. Tenía una copia antigua en mi computadora, pero tuve que hacer una búsqueda para encontrar de dónde era. Esto proporciona una respuesta mejor que la que di antes.

Paul Gilster: Innumerables teorías sobre MOND y energía oscura, pero después de precisar el diferencial de tiempo (

1,7 segundos) entre el GW y el GRB, solo MUY POCOS siguen siendo viables. Dado que estos dos temas están AMBOS muy por encima de mi cabeza, una publicación de invitado en este sitio web por un EXPERTO en esos campos sería muy apreciada, a menos que, por supuesto, elija profundizar en ella usted mismo.

¡Un tema muy difícil, Harry! Y aunque podría ahondar, no soy el experto para escribir el tema. Si puedo encontrar a alguien que lo sea, pasaré la solicitud de algunas ideas. Mi pensamiento en este momento es que la energía oscura es un estudio tan evolutivo que no vamos a poder sacar conclusiones firmes ahora o durante bastante tiempo, pero quizás el análisis de GW eventualmente ofrecerá información. De todos modos, estoy contento de buscar a alguien que pruebe esto con las credenciales adecuadas.

Sería interesante escuchar eso. Espero que pronto escuchemos las teorías sobre la dinámica detallada del proceso de fusión, incluso si se basa solo en un evento. La dinámica dependerá de si la fusión puede resultar en un agujero negro, quizás una estrella de neutrones residual con una gran cantidad de materia ordinaria en explosión o la destrucción de ambas estrellas de neutrones. EM solo vendría de materia ordinaria, no de un BH.

Dado que el rango de masa para una estrella de neutrones estable es tan estrecho y la masa de fusión límite para dar como resultado un BH es tan poco conocida, estamos a punto de descubrir algunas cosas nuevas y realmente interesantes. ¡Vaya LIGO!

¿Qué pasaría si dos de esas estrellas chocaran cerca y # 8211 pero detrás de un gigante rojo del fin de la vida?

¿Podría eso actuar como un receptor & # 8217s guante & # 8211 & # 8211 proteger la Tierra de la radiación, y dar un campo rico y agradable de metales y gas?

¿No es mi campo el que entra o sale la gravedad conforme?

Busqué & # 8220conformal gravity & # 8221 en Wikipedia, y me perdí por completo después de la quinta frase.Es por eso que necesitamos un experto para publicar algo aquí, ya sea como un blog o en la sección de comentarios en algún lugar.

Había oído hablar de la gravedad conforme, pero no sabía casi nada al respecto, ya que estaba fuera de la corriente principal. El artículo de referencia presenta una falsificación formal de la teoría. Es más explicativo de lo que es y hace la teoría que el inútil artículo de Wikipedia. Al menos el artículo apunta a este documento (vía CERN). Tendría que leerlo para conocer los detalles, pero no sé si me molestaré, ya que parece otra forma extraña de explicar la materia oscura y la energía oscura con la inserción y ajuste de parámetros sospechosos.

¿Alguien puede calcular cuántas kilonovas por galaxia se necesitan para tener en cuenta todos los elementos pesados ​​en, digamos, nuestra galaxia? ¿Fueron más comunes más cerca del Big Bang que ahora o lo serán en el futuro? ¿Deberíamos preocuparnos de que puedan ser la respuesta a la paradoja de Fermi? ¿Necesitamos comenzar a construir algunas ciudades subterráneas profundas por si acaso?

Según el análisis, la cantidad de elementos medidos es tal que no muchos de estos eventos son suficientes para dar cuenta de todos los elementos pesados ​​en una galaxia. Sin embargo, dado que aún no he leído el documento, no conozco los detalles de cómo lo determinaron.

Lo que me desconcierta es que el oro es expulsado del Kilonova a una velocidad del 30% de la velocidad de la luz. ¿Cómo ralentizas las cosas para que puedan incorporarse a una nebulosa de formación de estrellas o un vivero estelar?

Buena pregunta. No todos los núcleos viajarán a esa velocidad: habrá un amplio rango de velocidades debido a las ondas de choque en la turbulencia que resultan. Qué rango exactamente no lo sé. Muchas de estas partículas viajarán distancias cosmológicas y se convertirán en rayos cósmicos. Las colisiones de estrellas de neutrones se postularon como una fuente importante de rayos cósmicos, y este evento lo respalda.

Afortunadamente, hay un gran excedente de elementos pesados ​​de estas colisiones. Supongo que la pequeña proporción que golpea estrellas, planetas e incluso nebulosas explicaría lo que encontramos. Los elementos más pesados ​​de la Tierra pueden provenir principalmente de galaxias distantes.

Se han observado varios pares de neutrones en órbita. Creo que el primero se observó hace varias décadas. ¿Se detectó este par antes de su fusión o se han encontrado imágenes en placas antiguas?

Los pares de estrellas de neutrones conocidos están dentro de nuestra galaxia y este evento de fusión está en una galaxia a 130 millones de lyrs de distancia. Todavía no es posible ver parejas tan lejos.

Me interesaría saber cuáles serían los efectos si esto sucediera a la distancia de Alpha Centauri a nuestro sistema solar. Esto distorsionaría el espacio en el que vivimos, pero si nos daríamos cuenta, ¡también distorsionaría el tiempo!

Una explosión de kilonova a sólo cuatro años luz de distancia probablemente sea mala. Tiene que haber muchos elementos radiactivos, incluido el uranio debido al calor y la presión del impulso o la energía cinética y gravitacional potencial que también se libera como rayos gamma, etc. Los rayos gamma destruirían la capa de ozono en nuestra atmósfera si la golpean y algunos de esos elementos radiactivos llegarían a la Tierra en cien años debido a su alta velocidad. Depende si hay una acreción que los bloquea o no y el ángulo de la misma hacia la Tierra.

He leído que la fusión de dos agujeros negros libera suficiente radiación por sí sola para esterilizar mundos a cientos de años luz a la redonda, si no más.

¿Dónde leíste eso? No hay radiación EM o partículas de la fusión de dos BH. Los efectos destructivos del GW irradiado son de corto alcance.

Un libro de ciencia de alrededor de 1981. No recuerdo el título.

Aunque no hay EW directo de una fusión de BH, el gas y el polvo pueden ser comprimidos por el GW si están cerca, una masa del Sol en energía GW es una cantidad seria de compresión.

Se olvidó de agregar compresas de gas y polvo a las emisiones de EW de alta energía.

Sí, pero poco probable. Durante mucho tiempo, el BH se movió en espiral hacia adentro, toda la materia ordinaria, incluidos los discos de acreción restantes, habría sido expulsado violentamente o caído en uno de los BH. Es decir, no habría órbitas estables o cuasi-estables en ese loco lugar.

Siempre hay material alrededor de estos BH & # 8217, no tienen vientos estelares, por lo que el gas y el polvo interestelares pueden acumularse durante eones. La energía liberada es de más de milisegundos y es enorme, suficiente para comprimir y vaporizar material a grandes distancias.

Además de los espectaculares resultados de las binarias de estrellas de neutrones que se destruyen a sí mismas, es interesante considerar cómo se formaron en primer lugar. La secuencia de eventos requeridos para asegurar que el sistema no se suelte como resultado de las supernovas, o termine con la primera estrella de neutrones cayendo en el núcleo de la segunda estrella y convirtiéndose en un objeto Thorne-Żytkow impone algunas restricciones bastante estrictas sobre el progenitor binario.

Michael, me temo que serían los efectos de la radiación y no los efectos gravitacionales de los que uno tendría que preocuparse si estuviera a solo cuatro años luz de tal evento. ¿Alguien puede calcularlo? Creo que todo el sistema solar estaría frito. Quizás el polvo de oro eventualmente caiga goteando desde el espacio, pero espero que no haya nadie para barrerlo.

Citando algunas publicaciones arriba en este hilo, he leído que la fusión de dos agujeros negros libera suficiente radiación por sí sola para esterilizar mundos por cientos de años luz alrededor, si no más.

Ondas de alegría: por que los astrónomos están encantados con la colisión de estrellas de neutrones

Ser testigo de la colisión de un par de estrellas de neutrones fue el mayor evento científico de 2017. Lauren Fuge reflexiona sobre por qué los astrónomos están tan emocionados.


Dos estrellas de neutrones chocaron cerca del sistema solar hace 4.600 millones de años

Según un nuevo estudio publicado en la edición del 2 de mayo de 2019 de NaturalezaHace 4.600 millones de años, dos estrellas de neutrones chocaron cerca del Sistema Solar temprano (en realidad, a unos 1000 años luz de la nube de gas que finalmente formó el Sistema Solar). Esta violenta colisión ha creado elementos pesados ​​como plata, oro, platino, cesio y uranio. El estudio dice que el 0,3% de los elementos más pesados ​​de la Tierra han sido creados por este evento.

Los investigadores concluyeron que hace 4.600 millones de años, unos 100 millones de años antes de la formación de la Tierra, dos estrellas de neutrones chocaron a unos 1000 años luz de distancia. Dado que nuestra galaxia, la Vía Láctea tiene al menos 100.000 años luz de diámetro, esta distancia se puede reducir fácilmente. tratado como el "Barrio cósmico".

Los científicos dicen "Si un evento comparable sucediera hoy a una distancia similar del Sistema Solar, la radiación resultante podría eclipsar todo el cielo nocturno".

Para llegar a su conclusión, los autores del estudio, los astrofísicos Szabolcs Marka de la Universidad de Columbia e Imre Bartos de la Universidad de Florida, compararon la composición de los meteoritos con simulaciones numéricas de la Vía Láctea.

Existe un proceso llamado “proceso r” (proceso rápido de captura de neutrones) que es responsable de la creación (nucleosíntesis) de aproximadamente la mitad de las abundancias de los núcleos atómicos más pesados ​​que el hierro.

Como las fusiones de estrellas de neutrones ocurren con poca frecuencia, su deposición de isótopos radiactivos en la nebulosa pre-solar podría haber estado dominada por algunos eventos cercanos. Aunque los isótopos del proceso r de vida corta (con vidas medias inferiores a 100 millones de años) ya no están presentes en el Sistema Solar, su abundancia en el Sistema Solar primitivo se conoce porque sus productos secundarios se conservaron en condensados ​​de alta temperatura que se encuentran en meteoritos.

Los investigadores afirman que la abundancia de isótopos de proceso r de vida corta en el Sistema Solar temprano apuntan a su origen en fusiones de estrellas de neutrones e indican una deposición sustancial por un solo evento de fusión cercano.

Al comparar las simulaciones numéricas con las primeras proporciones de abundancia de actínidos del Sistema Solar producidas exclusivamente a través del proceso r, los investigadores limitan la tasa de ocurrencia de sus sitios de producción galáctica dentro de aproximadamente 1-100 por millón de años. Esto es consistente con las estimaciones observacionales de las tasas de fusión de estrellas de neutrones, pero descarta las supernovas y las fuentes estelares, dice Marka ad Bartos.

Los investigadores descubren además que probablemente hubo una sola fusión cercana que produjo gran parte del curio y una fracción sustancial del plutonio presente en los inicios del Sistema Solar. Tal evento puede haber ocurrido a unos 300 parsecs (978 años luz) de la nebulosa pre-solar (ver notas 1), aproximadamente 80 millones de años antes de la formación del Sistema Solar.

Dado que nuestra tecnología actual depende en gran medida de estos elementos raros, estos hallazgos tendrán efectos interesantes en la búsqueda de civilizaciones extraterrestres. Si los elementos pesados ​​son aún más escasos, no podría haber especies inteligentes en el Universo con el nivel de crecimiento tecnológico que hemos tenido.

Esta podría ser una posible explicación de por qué aún no hemos tenido noticias de ET, o como lo expresó Enrico Fermi: "¿Donde está todo el mundo?".


Ondas gravitacionales de la fusión de estrellas de neutrones

Por primera vez, los investigadores han medido simultáneamente las ondas gravitacionales y la luz de dos estrellas de neutrones fusionadas. La 'astronomía de mensajeros múltiples', que combina la observación de ondas gravitacionales y radiación electromagnética, comienza con este evento, registrado el 17 de agosto de 2017 a las 14:41:04 CEST. Juntos, los métodos complementarios aumentarán considerablemente nuestra comprensión de los eventos astrofísicos extremos. Por ejemplo, este descubrimiento confirma que dos estrellas de neutrones que se fusionan son de hecho el precursor de breves estallidos de rayos gamma y que la explosión que sigue a esta fusión, conocida como kilonova, es la fuente de elementos pesados ​​en el Universo. Durante las observaciones del 17 de agosto, los investigadores de los Institutos Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam y Hannover, y el Instituto Max Planck de Astrofísica y Física Extraterrestre en Garching, jugaron un papel central.

Danza de los pesos pesados: dos estrellas de neutrones se orbitan entre sí, girando en espiral cada vez más juntas, irradiando ondas gravitacionales en el proceso. Los astrofísicos han estado teorizando durante mucho tiempo que las estrellas de neutrones, los núcleos de soles masivos y quemados, se generan ondas en el proceso. Los astrofísicos han estado teorizando durante mucho tiempo que las estrellas de neutrones, los núcleos de soles masivos quemados, podrían crear estallidos de rayos gamma. Esta imagen del evento real GW170817 proviene de una simulación relativista numérica.

& copy Simulación de relatividad numérica: T. Dietrich (Instituto Max Planck de Física Gravitacional) y la colaboración BAM Visualización Científica: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional)

Los dos detectores LIGO en Hanford (estado de Washington, EE. UU.) Y Livingston (Louisiana) observaron la señal denominada GW170817 durante unos 100 segundos. Las mediciones realizadas por el detector Virgo en Toscana, cerca de Pisa, Italia, mejoraron sustancialmente la localización en los cielos y permitieron a los investigadores restringir el origen de la onda a un punto en los cielos del sur de solo 28 grados cuadrados, alrededor de 130 veces la aparente. tamaño de la luna llena.

Solo 1,7 segundos después, el monitor de ráfagas de rayos gamma (GBM) a bordo del Fermi El satélite registró un estallido de rayos gamma, conocido como GRB 170817A, desde aproximadamente la misma dirección que la señal de la onda gravitacional. La probabilidad de que este encuentro haya sido pura coincidencia es de uno a 200 millones; ¡las probabilidades de tener seis números correctos en la lotería son considerablemente mejores!

& aposAl principio, la detección de este nuevo estallido de rayos gamma por Fermi no parecía realmente extraordinaria, & apos dice Andreas von Kienlin, científico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, quien también ayudó a construir el instrumento. & apos Observamos cuatro o cinco nuevos estallidos de rayos gamma por semana. & apos Solo más tarde el investigador se enteró de las mediciones del observatorio LIGO y Virgo: & apos Inmediatamente supimos que se trataba de un evento histórico. & apos

Otra sorpresa es que los rayos gamma y las ondas gravitacionales no se detectaron exactamente al mismo tiempo, sino con una diferencia de tiempo de aproximadamente dos segundos. & apos: Estas y las observaciones adicionales nos brindan una visión única de la física en y alrededor de este evento & apos, dice von Kienlin.

Integral, otra misión de rayos gamma con un instrumento Max Planck a bordo, el SPI, también observó radiación de alta energía de la fusión. & aposLa señal que observamos puede no haber sido muy brillante, pero podemos confirmar el resultado de Fermi con una detección de rayos gamma completamente independiente & apos, dice Roland Diehl, científico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y co-investigador del SPI. & aposCon respecto al vínculo entre el estallido de rayos gamma y las ondas gravitacionales, estamos en terreno seguro aquí. Además, podemos conectar claramente un estallido corto de rayos gamma con una colisión de estrellas de neutrones por primera vez, dice Diehl.

La localización muy precisa de la observación de LIGO / Virgo permitió que un puñado de observatorios de todo el mundo buscaran el área del cielo desde donde se origina la señal solo unas horas más tarde. Los telescopios ópticos, incluido el instrumento GROND en el telescopio de la Sociedad Max Planck de 2,2 metros en el observatorio La Silla en el Observatorio Europeo Austral (ESO), descubrieron un nuevo punto de luz, similar a una estrella, cerca de la galaxia NGC 4993. Este sistema de galaxias lenticulares se encuentra aproximadamente a 130 millones de años luz de la Tierra.

Observación en tres pasos: la primera señal de la fusión de estrellas de neutrones el 17 de agosto de 2017 fue un breve estallido de rayos gamma descubierto por el satélite estadounidense Fermi (arriba). Poco después, los científicos de la cooperación LIGO-Virgo informaron que sus detectores habían registrado las ondas gravitacionales 1,7 segundos antes del estallido de Fermi (centro). Un poco más tarde, los científicos informaron que la explosión también se observó con un instrumento a bordo del satélite europeo Integral.

& copiar el Goddard Space Flight Center de la NASA, Caltech / MIT / LIGO Lab y la ESA

Para los astrónomos, una cosa es segura: el objeto óptico, el estallido de rayos gamma y las ondas gravitacionales se originan en una misma fuente: la fusión de un par de estrellas de neutrones. Finalmente, más de 70 observatorios terrestres y espaciales notaron el evento en los espectros de rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo y de ondas de radio.

& apos Estas observaciones coincidentes nos dan una imagen detallada de este evento desde tres minutos antes de la fusión hasta varias semanas después, & apos dice Jochen Greiner, científico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre responsable de la construcción de GROND.

Esta opinión es compartida por los científicos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover y Potsdam: & apos En sí mismo, la primera evidencia de ondas gravitacionales emitidas por la fusión de estrellas de neutrones ya es extremadamente emocionante. Sin embargo, la combinación con docenas de observaciones de seguimiento en el espectro electromagnético lo hace verdaderamente revolucionario, dicen Alessandra Buonanno y sus colegas directores Bruce Allen y Karsten Danzmann.

La identificación de GW170817 como un sistema estelar binario que consta de dos estrellas de neutrones y las observaciones de la radiación electromagnética después de su colisión permiten llegar a conclusiones sobre el origen previamente misterioso de los estallidos cortos de rayos gamma.

& apos Si bien teníamos fuertes indicios de que las estrellas de neutrones fusionadas son de hecho los progenitores de estallidos cortos de rayos gamma, no teníamos una prueba final. La observación simultánea de este estallido de dos segundos por Integral y Fermi, y por los detectores de ondas gravitacionales, es la primera evidencia concluyente de que al menos algunos de estos estallidos de rayos gamma son impulsados ​​por fusiones de estrellas de neutrones, & apos dice Rashid Sunyaev, Director de el Instituto Max Planck de Astrofísica.

Punto de luz luminosa: esta imagen muestra la galaxia NGC 4993, a unos 130 millones de años luz de la Tierra, en la constelación de Hydra, en la que explotaron las dos estrellas de neutrones. Esta llamada kilonova aparece como una estrella brillante. Estos objetos son la principal fuente de elementos químicos muy pesados ​​como el oro y el platino en el universo.

Punto de luz luminosa: esta imagen muestra la galaxia NGC 4993, a unos 130 millones de años luz de la Tierra, en la constelación de Hydra, en la que explotaron las dos estrellas de neutrones. Esta llamada kilonova aparece como una estrella brillante. Estos objetos son la principal fuente de elementos químicos muy pesados ​​como el oro y el platino en el universo.

Los análisis de los datos de LIGO arrojaron una distancia relativamente pequeña de las estrellas de neutrones fusionadas desde la Tierra de alrededor de 85 a 160 millones de años luz, de acuerdo con los 130 millones de años luz de la supuesta galaxia madre NGC 4993. En contraste con las observaciones previas de ondas gravitacionales , los científicos calcularon las masas de los objetos fusionados entre 1,1 y 1,6 veces la de nuestro Sol, comparable a la de las estrellas de neutrones conocidas y diferente a la de los agujeros negros.

Las estrellas de neutrones son los restos extremadamente densos y agotados de estrellas masivas, con diámetros de solo unos 20 kilómetros. Los astrofísicos han estudiado la fusión de dos de estos cadáveres estelares en teoría durante mucho tiempo, y han disfrutado de la confirmación en la observación de la señal GW170817: & apos Los parámetros físicos del evento transitorio coinciden con las predicciones teóricas para una llamada kilonova de una estrella de neutrones fusión notablemente bien & apos, dice Anders Jerkstrand del Instituto Max Planck de Astrofísica.

& aposEn particular, la velocidad a la que la luz de la fuente se atenuó durante los diez días posteriores a la fusión corresponde exactamente al pronóstico de que las eyecciones están dominadas por elementos radiactivos mucho más pesados ​​que el hierro & apos, dice Jerkstrand.

Dos estrellas de neutrones que se fusionan en un estallido de rayos gamma liberan enormes cantidades de energía. Al mismo tiempo, la materia densa se expulsa a altas velocidades. Debido a que la materia expulsada muestra una alta concentración de neutrones libres, los elementos más pesados ​​del universo pueden formarse a partir de ellos. El proceso involucrado se conoce como captura rápida de neutrones o, más brevemente, proceso r.

& aposEl origen de los elementos químicos más pesados ​​del universo fue un misterio para los científicos durante mucho tiempo & apos, dice Hans-Thomas Janka, científico principal del Instituto Max Planck de Astrofísica. & apos Ahora tenemos la primera prueba observacional de que las colisiones de estrellas de neutrones pueden ser las fuentes de estos elementos. Incluso pueden ser la fuente principal de los elementos del proceso r. & Apos

La observación y caracterización de señales de minutos de duración de la fusión de estrellas de neutrones, ocultas en el ruido del detector, exige modelos de forma de onda extremadamente precisos. Los miembros del departamento & aposAstrophysical and Cosmological Relativity & apos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional desarrollaron modelos que se implementaron como plantillas en las búsquedas de filtros óptimos que descubrieron GW170817.

Fábrica de energía cósmica: cuando las estrellas de neutrones chocan, la explosión dispara enormes chorros de materia incandescente al espacio a altas velocidades, como se muestra en esta representación artística. Los chorros producen una breve ráfaga de rayos gamma (mostrada en magenta). La nube alrededor del agujero negro en el centro se puede observar con longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas.

y copiar el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Laboratorio CI

Además, los investigadores de Max Planck desempeñaron un papel central en el desarrollo y la implementación de los algoritmos de búsqueda utilizados para observar GW170817. Como miembros del equipo que investigó la señal inmediatamente después de su descubrimiento, eliminaron inmediatamente una señal espuria temporal de los datos entregados por el instrumento LIGO Livingston.

Esto permitió que la posición en los cielos se identificara con tanta precisión que los astrónomos pudieron observar un resplandor de luz visible que se desvanecía rápidamente dentro de las doce horas posteriores al descubrimiento de GW170817 y un fósforo. Por lo tanto, identificaron la galaxia madre y el desplazamiento al rojo, lo que llevó a la medición de la constante de Hubble y, por lo tanto, a la distancia.

El Instituto Max Planck de Física Gravitacional también ayudó a desarrollar y aplicar algoritmos de análisis y modelos de formas de onda, lo que les permitió identificar la fuente de GW170817 como un sistema binario de estrellas de neutrones. En una perspectiva adicional, los resultados contradicen las teorías que asumen fuerzas nucleares altamente repulsivas, porque predicen estrellas de neutrones relativamente grandes y, por lo tanto, altamente deformables.

En Potsdam, se adoptaron métodos analíticos y simulaciones numéricas para construir modelos modernos de formas de onda que predicen fuerzas nucleares repulsivas más débiles en estrellas de neutrones GW170817 y aposs. Además, los científicos de Max Planck han investigado las señales electromagnéticas creadas por la expulsión de materia cuando las estrellas se fusionaron. Estas señales contienen información sobre la creación de elementos pesados ​​en el universo, como se discutió anteriormente.

& aposEn un efecto dominó, GW170817 ha desencadenado una secuencia espectacular de observaciones astrofísicas, resolviendo simultáneamente misterios de larga data y presentándonos otros nuevos & apos, dice Alessandra Buonanno, directora del Instituto Max Planck en Potsdam. Sorprendentemente, GW170817 también ha proporcionado información sobre la naturaleza de la materia ultradensa en el interior de los objetos más fascinantes y extremos del universo: las estrellas de neutrones. & apos

Los científicos del departamento de Relatividad y Cosmología & apos basado en la observación del instituto de Hannover desempeñaron un papel central durante las primeras horas de análisis, así como en la caracterización de la señal de la onda gravitacional y en la comprensión de la fuente. & apos Ni en mis sueños más locos no me habría atrevido a esperar que demostráramos simultáneamente el primer descubrimiento de una estrella de neutrones binaria mediante ondas gravitacionales, el correspondiente estallido de rayos gamma y las señales electromagnéticas. Imaginé que solo veríamos tal cosa después de 20 o más observaciones de dos estrellas de neutrones fusionadas. ¡Esto es fantástico! & Apos, como dijo el director Bruce Allen.

& aposEste es el comienzo de la astronomía de mensajeros múltiples y una mayor comprensión de nuestro universo. Estamos muy orgullosos de desempeñar un papel central en la medición de ondas gravitacionales, porque nuestros láseres, desarrollados y probados en el proyecto GEO600, están en el corazón de todos los observatorios y apos de ondas gravitacionales, resume el director de Max Planck, Karsten Danzmann, colega de Allen & aposs en el instituto de Hannover.


Ondas gravitacionales de la fusión de estrellas de neutrones

Danza de los pesos pesados: dos estrellas de neutrones se orbitan entre sí, girando en espiral cada vez más juntas, irradiando ondas gravitacionales en el proceso. Los astrofísicos han estado teorizando durante mucho tiempo que las estrellas de neutrones, los núcleos de soles masivos quemados, podrían crear estallidos de rayos gamma. La imagen del evento real GW170817 proviene de una simulación relativista numérica.

Por primera vez, los investigadores han medido simultáneamente las ondas gravitacionales y la luz de dos estrellas de neutrones fusionadas.

La 'astronomía de mensajeros múltiples', que combina la observación de ondas gravitacionales y radiación electromagnética, comienza con este evento, registrado el 17 de agosto de 2017 a las 14:41:04 CEST. Juntos, los métodos complementarios aumentarán considerablemente nuestra comprensión de los eventos astrofísicos extremos. Por ejemplo, este descubrimiento confirma que dos estrellas de neutrones que se fusionan son de hecho el precursor de estallidos cortos de rayos gamma y que la explosión que sigue a esta fusión, conocida como kilonova, es la fuente de elementos pesados ​​en el Universo. Durante las observaciones del 17 de agosto, los investigadores de los Institutos Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam y Hannover, y el Instituto Max Planck de Astrofísica y Física Extraterrestre en Garching, jugaron un papel central.

Los dos detectores LIGO en Hanford (estado de Washington, EE. UU.) Y Livingston (Louisiana) observaron la señal denominada GW170817 durante unos 100 segundos. Las mediciones realizadas por el detector Virgo en Toscana, cerca de Pisa, Italia, mejoraron sustancialmente la localización en los cielos y permitieron a los investigadores limitar el origen de la onda a un punto en los cielos del sur de solo 28 grados cuadrados, alrededor de 130 veces la aparente. tamaño de la luna llena.

Solo 1,7 segundos después, el monitor de ráfagas de rayos gamma (GBM) a bordo del satélite Fermi registró una ráfaga de rayos gamma, conocida como GRB 170817A, aproximadamente desde la misma dirección que la señal de la onda gravitacional. La probabilidad de que este encuentro haya sido pura coincidencia es de uno a 200 millones; ¡las probabilidades de tener seis números correctos en la lotería son considerablemente mejores!

"Al principio, la detección de esta nueva explosión de rayos gamma por Fermi no parecía realmente extraordinaria", dice Andreas von Kienlin, científico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, quien también ayudó a construir el instrumento. "Observamos cuatro o cinco nuevos estallidos de rayos gamma por semana". Solo más tarde el investigador se enteró de las mediciones del observatorio LIGO y Virgo: "Inmediatamente supimos que se trataba de un evento histórico".

Otra sorpresa es que los rayos gamma y las ondas gravitacionales no se detectaron exactamente al mismo tiempo, sino con una diferencia de tiempo de aproximadamente dos segundos. "Estas y las observaciones adicionales nos brindan una visión única de la física en y alrededor de este evento", dice von Kienlein.

Integral, otra misión de rayos gamma con un instrumento Max Planck a bordo, el SPI, también observó radiación de alta energía de la fusión. "La señal que observamos puede no haber sido muy brillante, pero podemos confirmar el resultado de Fermi con una detección de rayos gamma completamente independiente", dice Roland Diehl, científico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y co-investigador del SPI. “Con respecto al vínculo entre el estallido de rayos gamma y las ondas gravitacionales, estamos en terreno seguro aquí. Además, podemos conectar claramente un estallido corto de rayos gamma con una colisión de estrellas de neutrones por primera vez ”, dice Diehl.

La localización muy precisa de la observación de LIGO / Virgo permitió que un puñado de observatorios de todo el mundo buscaran el área del cielo desde donde se origina la señal solo unas horas más tarde. Los telescopios ópticos, incluido el instrumento GROND en el telescopio de la Sociedad Max Planck de 2,2 metros en el observatorio La Silla en el Observatorio Europeo Austral (ESO), descubrieron un nuevo punto de luz, similar a una estrella, cerca de la galaxia NGC 4993. Este sistema de galaxias lenticulares se encuentra aproximadamente a 130 millones de años luz de la Tierra.

Para los astrónomos, una cosa es segura: el objeto óptico, el estallido de rayos gamma y las ondas gravitacionales se originan en una misma fuente: la fusión de un par de estrellas de neutrones. Finalmente, más de 70 observatorios terrestres y espaciales notaron el evento en los espectros de rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo y de ondas de radio.

"Estas observaciones coincidentes nos dan una imagen detallada de este evento desde tres minutos antes de la fusión hasta varias semanas después", dice Jochen Greiner, científico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre responsable de la construcción de GROND.

Esta opinión es compartida por los científicos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover y Potsdam: “En sí misma, la primera evidencia de ondas gravitacionales emitidas por la fusión de estrellas de neutrones ya es extremadamente emocionante. Sin embargo, la combinación con docenas de observaciones de seguimiento en el espectro electromagnético lo hace verdaderamente revolucionario ', dicen Alessandra Buonanno y sus colegas directores Bruce Allen y Karsten Danzmann.

La identificación de GW170817 como un sistema estelar binario que consta de dos estrellas de neutrones y las observaciones de la radiación electromagnética después de su colisión permiten llegar a conclusiones sobre el origen previamente misterioso de los estallidos cortos de rayos gamma.

`` Si bien teníamos fuertes indicios de que las estrellas de neutrones fusionadas son de hecho los progenitores de breves explosiones de rayos gamma, no teníamos una prueba final. La observación simultánea de este estallido de dos segundos por Integral y Fermi, y por los detectores de ondas gravitacionales, es la primera evidencia concluyente de que al menos algunos de estos estallidos de rayos gamma son impulsados ​​por fusiones de estrellas de neutrones, 'dice Rashid Sunyaev, Director de el Instituto Max Planck de Astrofísica.

Los análisis de los datos de LIGO arrojaron una distancia relativamente pequeña de las estrellas de neutrones fusionadas desde la Tierra de alrededor de 85 a 160 millones de años luz, de acuerdo con los 130 millones de años luz de la supuesta galaxia madre NGC 4993. En contraste con las observaciones previas de ondas gravitacionales , los científicos calcularon las masas de los objetos fusionados entre 1,1 y 1,6 veces la de nuestro Sol, comparable a la de las estrellas de neutrones conocidas y diferente a la de los agujeros negros.

Las estrellas de neutrones son los restos extremadamente densos y agotados de estrellas masivas, con diámetros de solo unos 20 kilómetros. Los astrofísicos han estudiado la fusión de dos de estos cadáveres estelares en teoría durante mucho tiempo, y han disfrutado de la confirmación en la observación de la señal GW170817: 'Los parámetros físicos del evento transitorio coinciden con las predicciones teóricas para una llamada kilonova a partir de un neutrón fusión de estrellas notablemente bien ', dice Anders Jerkstrand del Instituto Max Planck de Astrofísica.

"En particular, la velocidad a la que la luz de la fuente se atenuó durante los diez días posteriores a la fusión corresponde exactamente al pronóstico de que las eyecciones están dominadas por elementos radiactivos mucho más pesados ​​que el hierro", dice Jerkstrand.

Dos estrellas de neutrones que se fusionan en un estallido de rayos gamma liberan enormes cantidades de energía. Al mismo tiempo, la materia densa se expulsa a altas velocidades. Debido a que la materia expulsada muestra una alta concentración de neutrones libres, los elementos más pesados ​​del universo pueden formarse a partir de ellos. El proceso involucrado se conoce como captura rápida de neutrones o, más brevemente, proceso r.

"El origen de los elementos químicos más pesados ​​del universo fue un misterio para los científicos durante mucho tiempo", dice Hans-Thomas Janka, científico principal del Instituto Max Planck de Astrofísica. “Ahora tenemos la primera prueba observacional de que las colisiones de estrellas de neutrones pueden ser la fuente de estos elementos. Incluso pueden ser la fuente principal de los elementos del proceso r '.

La observación y caracterización de señales de minutos de duración de la fusión de estrellas de neutrones, ocultas en el ruido del detector, exige modelos de forma de onda extremadamente precisos. Los miembros del departamento de 'Relatividad astrofísica y cosmológica' del Instituto Max Planck de Física Gravitacional desarrollaron modelos que se implementaron como plantillas en las búsquedas de filtros óptimos que descubrieron GW170817.

Además, los investigadores de Max Planck desempeñaron un papel central en el desarrollo y la implementación de los algoritmos de búsqueda utilizados para observar GW170817. Como miembros del equipo que investigó la señal inmediatamente después de su descubrimiento, eliminaron inmediatamente una señal falsa temporal de los datos entregados por el instrumento LIGO Livingston.

Esto permitió que la posición en los cielos se identificara con tanta precisión que los astrónomos pudieron observar un resplandor de luz visible que se desvanecía rápidamente dentro de las doce horas posteriores al descubrimiento de GW170817. Por lo tanto, identificaron la galaxia madre y el desplazamiento al rojo, lo que llevó a la medición de la constante de Hubble y, por lo tanto, a la distancia.

El Instituto Max Planck de Física Gravitacional también ayudó a desarrollar y aplicar algoritmos de análisis y modelos de formas de onda, lo que les permitió identificar la fuente de GW170817 como un sistema binario de estrellas de neutrones. En una perspectiva adicional, los resultados contradicen las teorías que asumen fuerzas nucleares altamente repulsivas, porque predicen estrellas de neutrones relativamente grandes y, por lo tanto, altamente deformables.

En Potsdam, se adoptaron métodos analíticos y simulaciones numéricas para construir modelos modernos de formas de onda que predicen fuerzas nucleares repulsivas más débiles en las estrellas de neutrones de GW170817. Además, los científicos de Max Planck han investigado las señales electromagnéticas creadas por la expulsión de materia cuando las estrellas se fusionaron. Estas señales contienen información sobre la creación de elementos pesados ​​en el universo, como se discutió anteriormente.

"En un efecto dominó, GW170817 ha desencadenado una secuencia espectacular de observaciones astrofísicas, resolviendo simultáneamente misterios de larga data y presentándonos otros nuevos", dice Alessandra Buonanno, directora del Instituto Max Planck en Potsdam. "Sorprendentemente, GW170817 también ha proporcionado información sobre la naturaleza de la materia ultradensa en el interior de los objetos más fascinantes y extremos del universo: las estrellas de neutrones".

Los científicos del departamento de 'Relatividad y cosmología basadas en la observación' del instituto de Hannover desempeñaron un papel central durante las primeras horas de análisis, así como en la caracterización de la señal de la onda gravitacional y en la comprensión de la fuente. `` Incluso en mis sueños más locos, no me habría atrevido a esperar que demostráramos simultáneamente el primer descubrimiento de una estrella de neutrones binaria mediante ondas gravitacionales, el correspondiente estallido de rayos gamma y las señales electromagnéticas. Imaginé que solo veríamos tal cosa después de 20 o más observaciones de dos estrellas de neutrones fusionadas. ¡Esto es fantástico! ', Dijo el director Bruce Allen.

“Este es el comienzo de la astronomía de múltiples mensajeros y una mayor comprensión de nuestro universo. Estamos muy orgullosos de desempeñar un papel central en la medición de ondas gravitacionales, porque nuestros láseres, desarrollados y probados en el proyecto GEO600, están en el corazón de todos los observatorios de ondas gravitacionales ', resume el director de Max Planck, Karsten Danzmann, colega de Allen en el instituto de Hannover. .


¿Cómo se las arregló Fermi para ver la fusión de estrellas de neutrones? - Astronomía

Comunicado de prensa de: Universidad de California Berkeley
Publicado: lunes, 16 de octubre de 2017

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 responde a una pregunta de larga data en astrofísica: ¿Dónde se encuentran los elementos más pesados, que van desde la plata y otros elementos preciosos? metales al uranio, ¿de dónde vienen?

Con base en el brillo y el color de la luz emitida después de la fusión, que coincide estrechamente con las predicciones teóricas de los físicos de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los astrónomos ahora pueden decir que el oro o el platino de su anillo de bodas era muy probable forjado 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 una, 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, denominada GW170817, fue detectada el 17 de agosto e inmediatamente telegrafiada a los observadores de todo el mundo, quienes dirigieron sus pequeños y grandes telescopios hacia la región del cielo de donde provenía. Las ondas en el espacio-tiempo que midieron LIGO / Virgo 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 conocidos 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 solo 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 de energía concentrados durante la fusión de estrellas de neutrones. Menos de 11 horas después, los observadores vieron por primera vez la luz visible de la fuente. Se localizó en una galaxia conocida, NGC 4993, situada 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 en 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 ondas gravitacionales de LIGO / Virgo y la detección de su contraparte óptica serán discutidas en una conferencia de prensa a las 10 am EDT el lunes 16 de octubre en el National Press Club en Washington, DC Simultáneamente, varias docenas de artículos discutirán las observaciones. será publicado en línea por Nature [http://www.nature.com], Science [http://science.sciencemag.org] y Astrophysical Journal Letters [http://apjl.aas.org].

Mientras que el hidrógeno y el helio se formaron en el Big Bang hace 13.800 millones de años, más tarde se formaron elementos más pesados ​​como el carbono y el oxígeno en los núcleos de las estrellas a través de 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 elementos que se encuentran más arriba 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 estado acumulando polvo hasta 2010, cuando Brian Metzger, entonces 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", dijo Metzger, "la desintegración de los elementos radiactivos la mantiene caliente y hace que brille".

Metzger, Quataert, Kasen y 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, lo que los motivó a llamar a estos destellos exóticos "kilonovas".

Aún así, 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, becaria postdoctoral de Einstein en Columbia, trabajó como estudiante de posgrado en 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 más de cien veces más opacos de lo que pensamos. "Estoy acostumbrado a ver en las explosiones astrofísicas", dijo Barnes. "Si los elementos pesados ​​están presentes 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 lo anunciamos por primera vez", dijo Kasen. "Estábamos prediciendo que una kilonova debería ser relativamente tenue y más roja que el rojo, lo que significa que sería una cosa increíblemente difícil de encontrar. En el lado positivo, habíamos definido una pistola humeante: puedes decir que estás viendo recién producida elementos pesados ​​por su distintivo color rojo ".

Eso es exactamente lo que observaron los astrónomos.

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 sólo en nuestra imaginación teórica y nuestros modelos informáticos", dijo. "Dada la compleja física involucrada, y el hecho de que teníamos esencialmente cero entradas de observación para guiarnos, fue una predicción increíblemente traicionera: los teóricos realmente estaban 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 coincidía sorprendentemente bien con las predicciones de los modelos de kilonova 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 señal de que las capas internas de la nube de escombros también contienen los elementos más pesados, como platino, oro y uranio.

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

Kasen, quien también fue miembro de los equipos de observación que descubrieron y realizaron observaciones de seguimiento de la fuente, recordó la emoción del momento: "Me quedé despierto pasadas las 3 am noche tras noche, comparando nuestros modelos con los últimos datos, 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 Nature. Sus modelos también se están utilizando para analizar un amplio conjunto de datos presentados en siete artículos adicionales que aparecen en Nature, Science y Astrophysical Journal Letters.

Las observaciones no solo confirmaron las predicciones teóricas, sino que 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 del platino de casi 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 representar 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 ciencia se trabaja 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".