Rayos X que perduran años después de una histórica colisión de estrellas de neutrones

Han pasado tres años desde la histórica detección de una fusión de estrellas de neutrones a partir de ondas gravitacionales. Y desde ese día, un equipo internacional de investigadores dirigido por la astrónoma de la Universidad de Maryland, Eleonora Troja, ha estado monitoreando 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 predijeran que se detendrían. El estudio también revela que a los modelos actuales de estrellas de neutrones y de colisiones de cuerpos compactos les falta información importante. La investigación fue publicada en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Estamos entrando en una nueva fase en nuestra comprensión de las estrellas de neutrones", dijo Troja, una investigadora asociada al Departamento de Astronomía de la UMD y autora principal del artículo. "Realmente no sabemos qué esperar de ahora en adelante, porque todos nuestros modelos no predecían rayos X y nos sorprendió verlos 1.000 días después de que se detectara el evento de colisión. Puede llevar años encontrar la respuesta a lo que está pasando, pero nuestra investigación abre la puerta a muchas posibilidades”.

La fusión de estrellas de neutrones que el equipo de Troja estudió -GW170817- fue identificada por primera vez a partir de las ondas gravitatorias detectadas por el Observatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) y su homólogo Virgo el 17 de agosto de 2017. En cuestión de horas, los telescopios de todo el mundo comenzaron a observar la radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma y la luz emitida por la explosión. Fue la primera y única vez que los astrónomos pudieron observar la radiación asociada a ondas gravitatorias, aunque sabían desde hacía tiempo que dicha radiación se producía. Todas las demás ondas gravitatorias observadas hasta la fecha se han originado en eventos demasiado débiles y demasiado lejanos para que la radiación pueda ser detectada desde la Tierra.

El evento GW170817, en la galaxia NGC 4993. (Foto: E. Troja)

Segundos después de que se detectara GW170817, los científicos registraron el chorro inicial de energía, conocido como estallido de rayos gamma, y luego la más lenta kilonova, una nube de gas que estalló detrás del chorro inicial. La luz de la kilonova duró unas tres semanas y luego se desvaneció. Mientras tanto, nueve días después de que la onda gravitatoria fuera detectada por primera vez, los telescopios observaron algo que no habían visto antes: rayos X. Modelos científicos basados en la astrofísica conocida predijeron que a medida que el chorro inicial de una colisión de estrellas de neutrones se mueve a través del espacio interestelar, crea su propia onda de choque, que emite rayos X, ondas de radio y luz. Esto se conoce como "afterglow". Pero tal resplandor nunca había sido observado antes. En este caso, el resplandor posterior alcanzó su punto máximo alrededor de 160 días después de que se detectaran las ondas gravitatorias y luego se desvaneció rápidamente. Pero los rayos X permanecieron. Fueron observados por última vez por el Observatorio de Rayos X Chandra dos años y medio después de que se detectara por primera vez el GW170817.

El nuevo trabajo de investigación sugiere algunas posibles explicaciones para las emisiones de rayos X de larga duración. Una posibilidad es que estos rayos X representan una característica completamente nueva del resplandor de una colisión, y la dinámica de una explosión de rayos gamma es de alguna manera diferente a la esperada.

"Tener una colisión tan cerca de nosotros que sea visible abre una ventana a todo el proceso a la que raramente tenemos acceso", dijo Troja, quien también es investigadora del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. "Puede ser que haya procesos físicos que no hayamos incluido en nuestros modelos porque no son relevantes en las primeras etapas 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 chorro inicial de radiación pueden haber creado su propia onda de choque que tardó más en llegar a la Tierra.

"Vimos la kilonova, por lo que sabemos que esta nube de gas está ahí, y los rayos X de su onda de choque pueden estar llegando a nosotros", dijo Geoffrey Ryan, asociado postdoctoral en el Departamento de Astronomía de la UMD y co-autor del estudio. "Pero necesitamos más datos para entender si eso es lo que estamos viendo. Si lo es, puede darnos una nueva herramienta, una firma de estos eventos que no hemos reconocido antes. Eso puede ayudarnos a encontrar colisiones de estrellas de neutrones en registros anteriores de radiación de rayos X".

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

Se necesitan muchos más análisis antes de que los investigadores puedan confirmar exactamente de dónde vinieron 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).

"Este puede ser el último aliento de una fuente histórica o el comienzo de una nueva historia, en la que la señal se ilumine de nuevo en el futuro y pueda permanecer visible durante décadas o incluso siglos", dijo Troja. "Pase lo que pase, este evento está cambiando lo que sabemos sobre las fusiones de estrellas de neutrones y reescribiendo nuestros modelos". (Fuente: NCYT Amazings)