Colisionar estrellas de neutrones observadas en ondas gravitacionales, rayos gamma y luz

October 19, 2017

Ilustración del artista de dos estrellas de neutrones fusionadas. La cuadrícula de espacio y tiempo ondulante representa las ondas gravitacionales que viajan desde la colisión, mientras que los haces estrechos muestran los estallidos de rayos gamma que se disparan solo segundos después de las ondas gravitacionales. También se muestran nubes de remolino de material expulsado de las estrellas que se fusionan. Las nubes brillan con luz visible y otras longitudes de onda. (Crédito de la imagen: NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet)

El descubrimiento de las estrellas de neutrones colisionantes es el primer evento cósmico observado en ondas gravitacionales, rayos gamma y luz visible, se aclama como un evento científico clave.

Por primera vez, los científicos han detectado directamente las ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo, además de la luz de la espectacular colisión de dos estrellas de neutrones. Esta es la primera vez que se ha visto un evento cósmico en ondas gravitacionales, rayos gamma y luz.

El descubrimiento se realizó utilizando el Observatorio Gravitacional de Onda de Interferómetro Láser (LIGO) basado en Estados Unidos; el detector Virgo basado en Europa; y unos 70 observatorios terrestres y espaciales.

Las estrellas de neutrones son las estrellas más pequeñas y densas que se sabe que existen y se forman cuando las estrellas masivas explotan en supernovas.

Cuando estas estrellas de neutrones se unieron en espiral, emitieron ondas gravitacionales que fueron detectables durante unos 100 segundos; cuando colisionaron, un destello de luz en forma de rayos gamma se emitió y se vio en la Tierra aproximadamente dos segundos después de las ondas gravitacionales.

En los días y semanas posteriores al smashup, se detectaron otras formas de luz o radiación electromagnética, incluidas las ondas de rayos X, ultravioleta, óptica, infrarroja y radio.

Las observaciones han dado a los astrónomos una oportunidad sin precedentes para sondear una colisión de dos estrellas de neutrones. Por ejemplo, las observaciones realizadas por el Observatorio de los Géminis de EE. UU., El Telescopio Muy Grande Europeo y el Telescopio Espacial Hubble revelan firmas de material sintetizado recientemente, como el oro y el platino, que resuelve un misterio de décadas donde casi la mitad de todos los elementos son más pesados ​​que el hierro. son producidos.

Los resultados de LIGO-Virgo se publican hoy en la revista Physical Review Letters; se han enviado o aceptado trabajos adicionales de las colaboraciones de LIGO y Virgo y la comunidad astronómica para su publicación en varias revistas.

“Es tremendamente emocionante experimentar un evento raro que transforma nuestra comprensión del funcionamiento del universo”, dice France A. Córdova, director de la National Science Foundation (NSF), que financia a LIGO. “Este descubrimiento se da cuenta de un objetivo que muchos de nosotros hemos tenido hace mucho tiempo, es decir, para observar simultáneamente eventos cósmicos raros usando observatorios tanto tradicionales como de onda gravitacional. Solo a través de la inversión de cuatro décadas de la NSF en observatorios de ondas gravitacionales, junto con telescopios que observan desde la radio hasta las longitudes de onda de rayos gamma, podemos ampliar nuestras oportunidades para detectar nuevos fenómenos cósmicos y juntar una nueva narrativa de la física de las estrellas en su agonía “.

La señal gravitacional, llamada GW170817, se detectó por primera vez el 17 de agosto a las 8:41 a.m. Hora de verano del Este; La detección fue realizada por los dos detectores LIGO idénticos, ubicados en Hanford, Washington y Livingston, Louisiana. La información proporcionada por el tercer detector, Virgo, situado cerca de Pisa, Italia, permitió una mejora en la localización del evento cósmico. En ese momento, LIGO estaba llegando al final de su segunda carrera de observación desde que se actualizó en un programa llamado Advanced LIGO, mientras que Virgo había comenzado su primera carrera luego de completar recientemente una actualización conocida como Advanced Virgo.

Los observatorios LIGO financiados por NSF fueron concebidos, construidos y operados por Caltech y MIT. Virgo es financiado por el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en Francia, y operado por el Observatorio Gravitacional Europeo. Unos 1.500 científicos en la Colaboración Científica LIGO y la Colaboración Virgo trabajan juntos para operar los detectores y para procesar y comprender los datos de la onda gravitacional que capturan.

Cada observatorio consta de dos túneles largos dispuestos en forma de L, en cuya articulación se divide un rayo láser en dos. La luz se envía a lo largo de cada túnel, luego se refleja en la dirección en que proviene de un espejo suspendido. En ausencia de ondas gravitacionales, la luz láser en cada túnel debería regresar al lugar donde se dividieron las vigas al mismo tiempo. Si una onda gravitacional pasa a través del observatorio, alterará el tiempo de llegada de cada rayo láser, creando un cambio casi imperceptible en la señal de salida del observatorio.

El 17 de agosto, el software de análisis de datos en tiempo real de LIGO captó una fuerte señal de ondas gravitacionales del espacio en uno de los dos detectores LIGO. Casi al mismo tiempo, el Monitor de ráfagas de rayos gamma en el telescopio espacial Fermi de la NASA había detectado una explosión de rayos gamma. El software de análisis LIGO-Virgo combinó las dos señales y vio que era muy poco probable que se tratara de una coincidencia fortuita, y otro análisis automatizado de LIGO indicó que había una señal de onda gravitatoria coincidente en el otro detector LIGO. La rápida detección de ondas gravitacionales por parte del equipo LIGO-Virgo, junto con la detección de rayos gamma de Fermi, permitió el lanzamiento del seguimiento de telescopios en todo el mundo.

Los datos de LIGO indicaron que dos objetos astrofísicos ubicados a una distancia relativamente cercana de unos 130 millones de años luz de la Tierra se habían estado acercando en espiral. Parecía que los objetos no eran tan masivos como agujeros negros binarios, objetos que LIGO y Virgo habían detectado previamente. En cambio, los objetos inspirales se estimaron en un rango de alrededor de 1,1 a 1,6 veces la masa del sol, en el rango de masas de las estrellas de neutrones. Una estrella de neutrones tiene unos 20 kilómetros o 12 millas de diámetro y es tan densa que una cucharadita de material estrella de neutrones tiene una masa de aproximadamente mil millones de toneladas.

Mientras que los agujeros negros binarios producen “chirridos” que duran una fracción de segundo en la banda sensible del detector LIGO, el chirrido del 17 de agosto duró aproximadamente 100 segundos y se observó a través de toda la gama de frecuencias de LIGO, aproximadamente el mismo rango que los instrumentos musicales comunes. Los científicos pudieron identificar la fuente de chirrido como objetos que eran mucho menos masivos que los agujeros negros vistos hasta la fecha.

“De inmediato nos pareció que era probable que la fuente fuera una estrella de neutrones, la otra fuente codiciada que esperábamos ver y prometer al mundo que veríamos”, dice David Shoemaker, vocero de la Colaboración Científica LIGO y científico investigador sénior en el MIT Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial. “De informar modelos detallados del funcionamiento interno de las estrellas de neutrones y las emisiones que producen, a la física más fundamental, como la relatividad general, este evento es tan rico. Es un regalo que seguirá dando “.

“Nuestro análisis de antecedentes mostró que un evento de esta fortaleza ocurre menos de una vez en 80,000 años por coincidencia aleatoria, por lo que reconocimos esto de inmediato como una detección muy confiable y una fuente notablemente cercana”, agrega Laura Cadonati, profesora de física en Georgia Tech y portavoz adjunto de la colaboración científica LIGO. “Esta detección realmente ha abierto las puertas a una nueva forma de hacer astrofísica. Espero que sea recordado como uno de los eventos astrofísicos más estudiados de la historia “.

Los teóricos han predicho que cuando las estrellas de neutrones colisionan, deben emitir ondas gravitacionales y rayos gamma, junto con poderosos chorros que emiten luz a través del espectro electromagnético. La ráfaga de rayos gamma detectada por Fermi, y luego confirmada por el observatorio de rayos gamma de la Agencia Espacial Europea INTEGRAL, es lo que se llama una corta ráfaga de rayos gamma; las nuevas observaciones confirman que al menos algunas ráfagas cortas de rayos gamma son generadas por la fusión de las estrellas de neutrones, algo que solo se teorizó antes.

“Durante décadas hemos sospechado que las ráfagas de rayos gamma fueron impulsadas por fusiones de estrellas de neutrones”, dice Julie McEnery, científica del proyecto de Fermi, del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. “Ahora, con los increíbles datos de LIGO y Virgo para este evento, tenemos la respuesta. Las ondas gravitatorias nos dicen que los objetos fusionados tenían masas compatibles con las estrellas de neutrones, y el flash de los rayos gamma nos dice que es poco probable que los objetos sean agujeros negros, ya que no se espera que una colisión de agujeros negros emita luz “.

Pero mientras que un misterio parece ser resuelto, han surgido nuevos misterios. La ráfaga corta de rayos gamma observada fue una de las más cercanas a la Tierra hasta ahora, pero sorprendentemente débil por su distancia. Los científicos están comenzando a proponer modelos de por qué esto podría ser, dice McEnery, y agregó que es probable que surjan nuevas ideas en los años venideros.

Un parche en el cielo

Aunque los detectores LIGO recogieron por primera vez la ola gravitatoria en los Estados Unidos, Virgo, en Italia, jugó un papel clave en la historia. Debido a su orientación con respecto a la fuente en el momento de la detección, Virgo recuperó una pequeña señal; combinada con los tamaños de señal y el tiempo en los detectores LIGO, esto permitió a los científicos triangular con precisión la posición en el cielo. Después de realizar una investigación minuciosa para asegurarse de que las señales no fueran un artefacto de instrumentación, los científicos concluyeron que una onda gravitacional provenía de un parche relativamente pequeño en el cielo del sur.

“Este evento tiene la localización más precisa del cielo de todas las ondas gravitacionales detectadas hasta el momento”, dice Jo van den Brand de Nikhef (Instituto Nacional Holandés de Física Subatómica) y VU University Amsterdam, quien es el portavoz de la colaboración Virgo. “Esta precisión de registro permitió a los astrónomos realizar observaciones de seguimiento que condujeron a una plétora de resultados impresionantes”.

“Este resultado es un gran ejemplo de la efectividad del trabajo en equipo, de la importancia de la coordinación y del valor de la colaboración científica”, agrega el director de EGO, Federico Ferrini. “Estamos encantados de haber desempeñado nuestro papel relevante en este extraordinario desafío científico: sin Virgo, habría sido muy difícil localizar la fuente de la onda gravitatoria.

Fermi pudo proporcionar una localización que luego fue confirmada y refinada en gran medida con las coordenadas proporcionadas por la detección combinada de LIGO-Virgo. Con estas coordenadas, un puñado de observatorios alrededor del mundo, horas después, pudieron comenzar a buscar en la región del cielo donde se pensaba que la señal se originó. Un nuevo punto de luz, parecido a una nueva estrella, fue descubierto por primera vez por telescopios ópticos. En última instancia, alrededor de 70 observatorios en el suelo y en el espacio observaron el evento en sus longitudes de onda representativas.

“Esta detección abre la ventana de una tan esperada astronomía multi-messenger”, dice David H. Reitze, director ejecutivo de Caltech, del Laboratorio LIGO. “Es la primera vez que observamos un evento astrofísico cataclísmico tanto en ondas gravitacionales como en ondas electromagnéticas: nuestros mensajeros cósmicos. La astronomía de onda gravitacional ofrece nuevas oportunidades para comprender las propiedades de las estrellas de neutrones en formas que simplemente no se pueden lograr con la astronomía electromagnética sola “.

Una bola de fuego y una resplandor

Cada observatorio electromagnético lanzará sus propias observaciones detalladas del evento astrofísico. Mientras tanto, una imagen general está emergiendo entre todos los observatorios involucrados que confirma aún más que la señal de onda gravitacional inicial en realidad provino de un par de estrellas inspiradoras de neutrones.

Hace aproximadamente 130 millones de años, las dos estrellas de neutrones se encontraban en sus últimos momentos orbitando entre sí, separadas solo por unos 300 kilómetros o 200 millas, y recogiendo velocidad mientras cerraban la distancia entre ellas. A medida que las estrellas se espiraban más y más juntas, se estiraban y distorsionaban el espacio-tiempo circundante, emitiendo energía en forma de poderosas ondas gravitatorias, antes de estrellarse entre sí.

En el momento de la colisión, la mayor parte de las dos estrellas de neutrones se fusionaron en un objeto ultradeno, emitiendo una “bola de fuego” de rayos gamma. Las mediciones iniciales de rayos gamma, combinadas con la detección de ondas gravitacionales, también confirman la teoría general de la relatividad de Einstein, que predice que las ondas gravitacionales deberían viajar a la velocidad de la luz.
Los teóricos han predicho que lo que sigue a la bola de fuego inicial es un “kilonova”, un fenómeno por el cual el material que queda de la colisión de la estrella de neutrones, que brilla con luz, se expulsa de la región inmediata y sale al espacio. Las nuevas observaciones basadas en la luz muestran que los elementos pesados, como el plomo y el oro, se crean en estas colisiones y posteriormente se distribuyen por todo el universo.

En las próximas semanas y meses, los telescopios de todo el mundo seguirán observando el resplandor de la fusión de las estrellas de neutrones y reunirán más evidencias sobre las diversas etapas de la fusión, su interacción con el entorno y los procesos que producen los elementos más pesados ​​del universo .

“Cuando planificamos LIGO por primera vez a fines de la década de 1980, sabíamos que, en última instancia, necesitaríamos una red internacional de observatorios de ondas gravitacionales, incluida Europa, para ayudar a localizar las fuentes de onda gravitacional para que los telescopios basados ​​en la luz puedan seguir y estudia el resplandor de eventos como esta fusión de estrellas de neutrones “, dice Fred Raab, director asociado de operaciones de observación de Caltech. “Hoy podemos decir que nuestra red de onda gravitacional está trabajando de manera brillante con los observatorios basados ​​en la luz para iniciar una nueva era en astronomía y que mejorará con la adición planificada de observatorios en Japón y la India”.

LIGO es financiado por la NSF, y operado por Caltech y MIT, que concibió LIGO y lideró los proyectos iniciales y avanzados de LIGO. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO fue liderado por la NSF con Alemania (Max Planck Society), el U.K. (Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología) y Australia (Australian Research Council) haciendo compromisos significativos y contribuciones al proyecto.

Más de 1,200 científicos y unas 100 instituciones de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la colaboración científica LIGO, que incluye la colaboración GEO y la colaboración australiana OzGrav. Los socios adicionales se enumeran en http://ligo.org/partners.php

La colaboración Virgo está formada por más de 280 físicos e ingenieros pertenecientes a 20 diferentes grupos de investigación europeos: seis del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en Francia; ocho del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia; dos en los Países Bajos con Nikhef; el RCP de MTA Wigner en Hungría; el grupo POLGRAW en Polonia; España con la Universidad de Valencia; y el European Gravitational Observatory, EGO, el laboratorio que aloja el detector de Virgo cerca de Pisa en Italia, financiado por el CNRS, INFN y Nikhef.

El Proyecto Documental Avanzado LIGO lanzó un nuevo video que analiza el descubrimiento histórico de las ondas gravitacionales de LIGO y el nacimiento de la era de la astronomía de las ondas gravitacionales. Este es el segundo video del Proyecto Documental Avanzado LIGO en una serie de 8 partes.

Encuentre este y otros videos en la galería de medios del Observatorio Gravitacional de Onda Gravitacional del Interferómetro Láser del Instituto Tecnológico de California (LIGO).

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