Primera detecció d’ones gravitatòries de la col·lisió de dos estels de neutrons… i l’origen de l’or a la Terra

Per primera vegada, els científics han detectat de forma directa i simultània ones gravitatòries – ondulacions en l’espai-temps – i la llum provinent d’una col·lisió espectacular de dues estrelles de neutrons. Això constitueix la primera vegada que d’un esdeveniment còsmic observat en ones gravitatòries, s’ha descobert al mateix temps la seua contrapartida òptica i la radiació d’alta freqüència emesa. D’aquesta manera, finalment, hem pogut “veure” exactament d’on provenen els senyals observats. A més s’ha pogut explicar l’origen dels metalls pesats com l’or.

El descobriment ha estat realitzat utilitzant l’Observatori d’Ones Gravitatòries per Interferometria Làser (LIGO, per les sigles en anglès) situat als EUA, el detector Virgo situat a Europa, i uns 70 observatoris terrestres, 7 d’ells espacials. La coordinació mundial de milers de científics durant setmanes per monitoritzar el mateix fenomen ha permès aquest resultat espectacular.

Dos anells de casament. Origen: col·lisió de dos estels de neutrons. Wikipedia

El 17 d’agost de 2017, astrònoms de tot el món van ser avisats d’una observació d’ones gravitatòries registrada pels detectors LIGO avançat i per Virgo avançat. Aquest esdeveniment d’ones gravitatòries, conegut ara com GW170817, semblava ser el resultat de la fusió de dues estrelles de neutrons. La idea era captar en els primers moments els senyals emesos per la font astrofísica utilitzant telescopis capaços de recollir llums de longituds d’ona diferent, des d’ones de ràdio fins a raig gamma, passant per les ones de llum visibles.

Ondulacions de la gravetat, esclats de llum (4:17)

El 17 d’agost de 2017, LIGO) i Virgo van detectar, per primera vegada, ones gravitatòries a partir de la col·lisió de dues estrelles de neutrons. L’esdeveniment no només va ser “escoltat” en ones gravitatòries, sinó que també es va veure la llum captada per dotzenes de telescopis a terra i a l’espai. (Crèdit: LIGO-Virgo)

Menys de dos segons després del senyal GW170817, el satèl·lit Fermi de la NASA va observar un esclat de raigs gamma, conegut ara com GRB170817A, i en els minuts següents a aquestes deteccions inicials, desenes de telescopis al voltant del món van començar una extensa campanya d’observació.

El telescopi Swope a Xile va ser el primer a informar sobre una font òptica brillant (SSS17a) en la galàxia NGC 4993 i altres grups addicionals van detectar de forma independent el mateix senyal transitori durant els següents minuts i hores. Durant les setmanes següents, els astrònoms van observar aquesta galàxia amb instruments sensibles en tot l’espectre electromagnètic. El conjunt d’aquestes observacions proporcionen ara una visió exhaustiva d’aquest esdeveniment cataclísmic començant aproximadament 100 segons abans de la fusió dels estels de neutrons fins a diverses setmanes després. Les observacions avalen la hipòtesi que dos estels de neutrons es van fusionar en la galàxia NGC 4993, situada a 130 milions d’anys llum de distancia – produint ones gravitatòries, un esclat de raigs gamma de curta durada i una kilonova. L’esdeveniment GW170817 marca una nova era en l’astronomia de multi-missatgers, on el mateix esdeveniment és observat amb ones gravitatòries i electromagnètiques.

Els estels de neutrons són els estels més petits i densos coneguts. D’una massa d’una estrella mitjana, el seu diàmetre és d’uns 20 km. Per això són tan densos que una sola cullereta de café de la seua matèria pesa mil milions de tones.

Es formen quan estrelles més massives exploten en forma de supernoves. Quan dues estrelles de neutrons orbiten una al voltant de l’altra, el sistema perd energia en forma d’ones gravitatòries i, per tant les dues estrelles orbiten de forma espiral estant condemnades a unir-se de forma catastròfica després de mil·lennis. En el cas observat, a mesura que l’òrbita de les dues estrelles de neutrons girava en forma d’espiral, el sistema binari emetia ones gravitatòries que van ser detectades durant uns 100 segons abans del col·lapse. Al xocar, amb una velocitat prop de la tercera part de la velocitat de la llum, es va emetre un gran esclat de llum en forma de raigs gamma observat a la Terra uns dos segons després de la detecció de les pròpies ones gravitatòries.

En els dies i setmanes posteriors a la col·lisió, altres formes de llum o radiacions electromagnètiques – incloent raigs X, ultraviolada, òptica, infraroja i ones de ràdio – van ser també detectades. Les observacions han donat als astrònoms una oportunitat sense precedents per a investigar la col·lisió de dues estrelles de neutrons. Per exemple, les observacions realitzades per l’observatori Gemini d’Estats Units, l’European Very Large Telescope i el Hubble Space Telescope revelen traces de materials recentment sintetitzats, incloent or i platí, desxifrant el misteri no resolt durant dècades sobre on es produeixen aproximadament la meitat de tots els elements químics més pesats que el ferro.

A la Universitat de les Illes Balears hi ha un grup que col·labora amb Ligo (LIGO@UIB) des de fa temps mentre que a la Universitat de València el  Valencia Virgo Group participa en la Col·laboració Virgo des de l’1 de juliol del 2016. Enhorabona als dos grups.

Més informació:
Imatges:

1.-Col·lisió cataclísmica. Il·lustració artística de dues estrelles de neutrons xocant. La quadrícula de l’espai-temps ondulant representa les ones gravitatòries que surten de la col·lisió, mentre que les bandes estretes mostren les ràfegues de raigs gamma disparats pocs segons després de les ones gravitatòries. També es representen els remolins de material expulsat de les estrelles que xoquen. Els núvols de gas brillen amb longituds d’ona visibles i d’altres tipus de llum més energètica. NSF/LIGO/Sonoma State University / A. Simonnet.

2.-Primers fotons òptics de la font d’ones gravitatòries. Imatges òptiques i infraroges del telescopi Swope i Magellan de la primera contrapart òptica d’una font d’ones gravitatòries, SSS17a, a la seua galàxia, NGC 4993. La imatge esquerra és del 17 d’agost de 2017, 11 hores després de la detecció de LIGO-Virgo, i conté els primers fotons òptics detectats de la font. La imatge a la dreta és de quatre dies més tard, quan SSS17a, les conseqüències d’una fusió d’estrelles de neutrons, es va esvair significativament i el seu color es va tornar molt més vermell.1M2H / UC Santa Cruz i Carnegie Observatories / Ryan Foley.

3.- Representació artística d’un estel de neutrons sobre la badia de San Francisco. Observeu que petita és. Més informació. NASA.

4.-GW170817: esdeveniment global d’astronomia. Un mapa dels aproximadament 70 observatoris òptics que detectaren l’esdeveniment GW170817. El 17 d’agost de 2017, els detectors LIGO i Virgo van observar ones gravitatòries causat per dues estrelles de neutrons en col·lisió. Els telescopis òptics a tot el món van observar les seqüeles de la col·lisió en les hores, dies i setmanes següents. Van ajudar a identificar la ubicació de les estrelles de neutrons i van identificar signes d’elements pesats, com l’or, en el material expulsat de la col·lisió. LIGO-Virgo

La nebulosa del Cranc mostra els seus secrets

Un equip internacional d’astrònoms acaba de publicar una imatge molt detallada de la nebulosa de Cranc, resultat de la combinació de dades de diversos telescopis situats a la superfície terrestre i en l’espai. Aquests instruments cobreixen quasi tot l’espectre electromagnètic, des de les ones de ràdio observades pel Very Large Array fins al potent resplendor en raigs X observat pel telescopi espacial Chandra. I per suposat, el telescopi espacial Hubble ha proporcionat la imatge de la nebulosa en llum visible mentre que la visió en infraroig ha estat proporcionada per telescopi espacial Spitzer.

Moltes vegades no som conscients que l’Univers no és només com ens el mostren els nostres ulls. La radiació que és capaç d’excitar els cons i bastons de la nostra retina, la llum anomenada visible, sols ens mostra un aspecte de la realitat del nostre entorn. Processos molt energètics com el gas gira al voltant d’un estel de neutrons brilla en llum de raig X o gamma mentre que la formació d’estels només es veu si emprem sensors de llum infraroja. Per això si volem comprendre un objecte tan complex com la nebulosa del Cranc cal combinar tota la informació disponible.

La nebulosa del Cranc és el resultat d’una violenta explosió de supernova observada per astrònoms xinesos l’any 1054. L’estiu d’aquell any, des de Xina s’observà una “estrella invitada”, un nou estel que va aparèixer en la que ara anomenen la constel·lació del Cranc. Segons conten les cròniques xineses, l’estel, que va ser visible uns mesos i es podia observar fins i tot de dia, era sis vegades més brillant que Venus.

Nebulosa del Cranc en llum visible. El púlsar, el disc d’acrecció i els dolls són invisibles amb aquesta llum. NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University).

Fins fa poc, cap més registre donava fe de l’observació del fenomen però ara es creu que els natius americans feren pictogrames d’un estel brillant al costat del creixent de Lluna (encara que no és compatible la Lluna creixent en Taure en estiu). També s’ha trobat referència del fenomen en l’obra del segle 13 Meigetsuki del poeta japonés Fujiwara no Teika. També s’han trobat referencies en l’astronomia islàmica a la supernova en una copia del segle 13 feta per Ibn Abi Usaibia d’un treball d’Ibn Butlan, un metge cristià nestorià que treballava a Baghdad en aquella època.

Des de finals dels anys 60 se sap que en el centre d’aquesta nebulosa hi ha un púlsar, un  estel de neutrons superdens, tan petit com una ciutat però que concentra la massa equivalent al nostre Sol.

Aquest monstre estel·lar és el resultat de l’explosió d’un estel com a supernova. En aquest procés les diferents capes d’un estel evolucionat amb un nucli de ferro-niquel s’enfonsen. Però mentre que les més internen col·lapsen ràpidament i formen un objecte dens format per neutrons, (l’estel de neutrons), les capes més externes es troben un interior molt dur i, que emet partícules molt energètiques. Per tant, reboten i són expulsades. És l’explosió supernova.

Com que l’estrella original girava, durant el col·lapse el residu estel·lar que queda al centre augmenta la velocitat de gir de manera espectacular de la mateixa manera quan una ballarina sobre gel augmenta la velocitat del gir en plegar els braços. Al mateix temps el camp magnètic del residu s’amplifica i s’emet un flux de radiació electromagnètic en direcció a l’eix del camp. Donat que aquest eix i els de l’estel de neutrons no estan perfectament alineats, aquest flux de radiació escombra l’espai, com ho fa la llum d’un far. És el pols de radiació visible de l’estel de neutrons que capten els radiotelescopis, el púlsar. En la nebulosa del Cranc el residu que en quedà rota a la increïble velocitat d’un gir cada 33 milisegons amb un camp magnètic amplificat milions de vegades més intens que el del Sol.

La complicada forma de la nebulosa és provocada por la complexa interacció entre el púlsar, un vent ràpid de partícules que venen del púlsar, i el material expulsat originalment per l’explosió de supernova i per l’estel abans de l’explosió.

Cal fixar-se bé en la imatge més energètica, l’obtinguda en raigs X. Ací s’hi veu el disc d’acreció al voltant del púlsar així com els dos dolls de gas perpendiculars col·limats pels camps magnètics que emergeixen de les zones polars de l’estrella de neutrons. Ací baix podeu veure un esquema on les diverses parts de la imatge en raig X estan explicades.

Actualment se sap que l’explosió que va donar origen a la nebulosa, i que brillà breument com 400 milions de sols, va ocórrer a 6500 anys-llum de nosaltres. Si hagués passat a només 50 anys-llum la radiació emesa per la supernova en totes les longituds d’ona energètiques (gamma, raigs X, ultraviolat) així com les partícules d’alta energia haurien escombrat la majoria de la vida a la Terra.

El vídeo d’Adam Block compara imatges de la nebulosa obtingudes l’any 1999 amb d’altres de l’any 2012. S’hi veu clarament que el gas s’expandeix encara per l’explosió de fa quasi 1000 anys. Imagineu si va ser d’intensa l’explosió…

Imatges i vídeos:
1.- La nebulosa del Cranc en una composició que combina imatges preses en gran part de l’espectre electromagnètic. NASA, ESA, G. Dubner (IAFE, CONICET-University of Buenos Aires) et al.; A. Loll et al.; T. Temim et al.; F. Seward et al.; VLA/NRAO/AUI/NSF; Chandra/CXC; Spitzer/JPL-Caltech; XMM-Newton/ESA; y Hubble/STScI.
2.- Imatge en llum visible de la nebulosa del Cranc obtinguda pel Telescopi Espacial Hubble NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University).
3.- Esquema del procés de formació de l’estel de neutrons i l’explosió supernova. Wikipedia Commons.
4.- Video de la composició de la imatge en totes les longituds d’ona.
5.- Esquema de la Nebulosa on es veu la posició del púlsar, el disc d’acrecció i els dolls.
6.- M1: el Remanent de la Nebulosa del Cranc d’Adam Block. L’animació mostra l’expansió de la nebulosa entre els anys 1999 i 2012. La imatge del 1999 està presa al VLT d’ESO. La del 2012 és del Mount Lemmon SkyCenter utilitzant el Schulman Telescope de 80 cm.

 

El misteri dels raigs gamma, més a prop de resoldre’s

Neutron Stars mergers

En els anys 60, unes misterioses emissions esporàdiques i molt curtes de raigs gamma escalfaven el cap dels militars al càrrec dels satèl·lits espies nord-americans que escrutaven les planes soviètiques en busca d’explosions nuclears. Les emissions d’aquesta radiació tan energètica que produeixen les bombes atòmiques no venien de baix, com s’esperava, sinó de dalt. De fet arribaven al detector per darrere. Alguna cosa passava a l’espai i de moment no tenia explicació. Aquesta troballa es va mantindre en secret ja que donar-la a conéixer revelaria també l’existència dels satèl·lits espia i la tecnologia que feien servir.

Ara, acabada la guerra freda, múltiples equips investigadors observen les emissions i tracten d’explicar-les amb costoses simulacions als ordinadors més grans del món. Un equip, en el qual participa un investigador del meu departament, explica les explosions com a resultat de la col·lisió entre dues estrelles de neutrons, en el moment en que es transformen en forat negre.

La nota de premsa que ha enviat la Universitat de València per publicitar aquests resultats ho descriu tot molt bé. A més s’ha fet un vídeo on es veu gràficament el que s’explica.


La col·lisió d’estrelles de neutrons produeix potentíssims centelleigs de llum gamma i també ones gravitatòries en l’espai que, tot i haver estat predites per Einstein, no havien estat encara detectades.

La seua comprensió ens acostaria, possiblement, a les claus d’una inesgotable font d’energia procedent de l’acreció de forats negres. Un equip internacional d’investigadors que treballa amb Miguhttp://blocs.mesvilaweb.cat/marco/wp-admin/users.phpel A. Aloy (Universitat de València), acaba d’aportar resultats molt valuosos per a donar resposta a aquest enigma de l’astrofísica.

(A la web de YouTube teniu també la transcripció en anglés del que es conta al vídeo. Punxeu en Visualitza la descripció completa)

La col·lisió d’estrelles de neutrons dóna lloc a potentíssims centelleigs de llum gamma. Durant una fracció de segon, una erupció de rajos gamma és tan lluminosa com totes les estrelles visibles des de la Terra, i produeix ones gravitatòries en l’espai que ja van ser predites per Albert Einstein, en la seua Teoria de la Relativitat, però que fins a avui no han pogut ser detectades. L’amplitud, durada i forma específica d’aquestes ones és un enigma, doncs, per a la ciència. La seua comprensió ens acostaria, possiblement, a les claus d’una inesgotable font d’energia procedent de l’acreció de forats negres. El treball que apareix publicat avui ‘en Astrophysical Journal Letters’, per l’equip internacional d’investigadors de Miguel A. Aloy (Universitat de València), aporta resultats molt valuosos i noves eines per a prosseguir i dur a bon terme les investigacions en aquest camp de l’astrofísica.

Aquestes explosions han desconcertat als científics durant anys: es tracta de centelleigs de llum gamma en els quals arriba a alliberar-se més energia en una fracció de segon que la que produeixen totes les estrelles visibles en aqueix mateix període de temps. Què és el que causa aquestes explosions? Un equip internacional de científics, en el qual treballa el professor de la Universitat de València Miguel A. Aloy, està un pas més aprop de resoldre l’enigma. En els còmputs realitzats durant sis setmanes en els superordenadors de l’Institut Max-Planck de Física Gravitacional, els investigadors van simular com la fusió de dues estrelles de neutrons amb camps magnètics menuts forma un forat negre envoltat per un torus d’acreció calent. En aquest procés, un camp magnètic extraordinàriament intens amb estructura de doll es forma al llarg de l’eix de rotació. Aquest camp magnètic és crucial per a entendre el procés de la generació d’erupcions de rajos gamma de curta durada: del caos que resulta després de la col·lisió, es forma una estructura ordenada, un doll de plasma d’enorme energia en el qual els rajos gamma de curta durada poden produir-se. (Astrophysical Journal Letters, 2011).

La primera erupció de rajos gamma va ser observada per casualitat. A la fi dels anys 60, un satèl·lit espia americà que estava cercant proves d’assajos de bombes atòmiques sobre la terra, va detectar la primera erupció de rajos gamma (ERG). No procedia de la Terra, sinó de l’espai exterior. Entre 1991 i la data de finalització de la seua missió al juny 2000, el satèl·lit americà Compton va registrar al voltant d’una ERG al dia- encara que la causa d’aquestes gegantesques explosions cosmològiques seguia sent un misteri.

Abans d’aquest treball ja es pensava que la fusió d’estrelles de neutrons era un fet propici per a generar ERG de curta durada. No obstant això, els científics no eren capaços d’explicar que el caos resultant de la fusió d’aquestes estrelles ultra compactes, amb ràdios d’uns 20 quilòmetres i summament denses, es podia produir a partir d’un corrent de plasma -un doll- orientat al llarg de l’eix de rotació. Aquests dolls són un ingredient essencial en la formació de les erupcions de raigs gamma. L’enigma a resoldre era, per tant, com podia la força impulsora d’aquest procés crear una estructura ordenada, a través de la qual canalitzar l’enorme energia alliberada pel procés d’acreció de matèria sobre forats negres en rotació. Per a situar al lector, cal dir que l’acreción és el mecanisme de conversió d’energia més eficient que es coneix. Pot arribar a convertir quasi el 30% de la massa en energia. Per comparança, menys d’un 0.6% de la massa es converteix en energia durant la fusió de nuclis d’hidrogen en el cor de les estrelles.

Miguel A. Aloy, investigador principal de l’European Research Councill Starting Independent Grant CAMAP en la Universitat de València, ha estat treballant amb el grup internacional de científics que ha trobat una possible explicació per a les erupcions de rajos gamma de curta durada (poden durar fins a 3 segons). L’equip va resoldre les equacions d’Einstein i les equacions de la magnetohidrodinámica per a dues estrelles de neutrons que arriben a fusionar-se donant lloc a un forat negre, i van deixar que la simulació seguira per un període de temps molt més llarg després de la formació del mateix.

El que van descobrir va ser que, inicialment, es forma un anell de matèria calenta amb un camp magnètic relativament feble envoltant el forat negre resultant, el qual rota sobre el seu eix a velocitats molt properes a les de la llum. El moviment de rotació d’aquest sistema inestable genera un camp magnètic ordenat, que és summament poderós, sent la seua intensitat d’uns 1015 Gauss al llarg de l’eix de rotació.

Per a fer-nos una idea de la increïble magnitud d’aquest camp magnètic, es pot dir que és 1016 (10,000,000,000,000,000) vegades més intens que el camp magnètic de la Terra. Ací radica la importància d’aquest nou resultat: s’ha demostrat, per primera vegada, que es pot formar una estructura al voltant de l’eix de rotació del sistema, a través de la qual, plasma extraordinàriament calent procedent dels voltants del forat negre és llançat a l’espai. És més, la citada estructura és clau perquè el plasma ejectat siga col·limat i forme sengles dolls en els quals es produeix la radiació gamma que dóna lloc a una ERG de curta durada.

Aquesta és la primera vegada que hem estudiat el procés sencer des de la fusió de les estrelles de neutrons fins a la formació dels dolls”, ha afirmat Luciano Rezzolla, un dels membres de la col·laboració internacional de l’Institut Max-Planck de Física Gravitacional (Golm, Alemanya). “Açò suposa un gran pas avant perquè abans no sabíem com era possible crear l’ordre necessari perquè les ERG es crearen a partir del caos regnant després del naixement del forat negre”, assenyala Miguel A. Aloy. Mitjançant un esforç computacional considerable, els científics van engegar una simulació durant el doble del temps normal, completant els seus càlculs en unes sis setmanes. La simulació completa mostra el que passa en només 35 mil·lisegons.

Ara hem alçat un vel important, que estava amagant el motor central de les ERG i hem oferit una connexió entre el model teòric i les observacions, en mostrar que una estructura de tipus doll es produeix realment mitjançant l’organització pròpia del camp magnètic en una fusió d’estrelles de neutrons”, afig Chryssa Kouveliotou de l’Agència Americana de l’Espai, NASA.

Així mateix, “s’ha reconstruït la seqüència correcta dels esdeveniments: primer naix el forat negre i poc després escoltem els seus plors natals en forma de radiació gravitatòria i una formidable erupció de rajos gamma”, apunta Miguel A. Aloy. La forma i amplitud del senyal gravitatori també ha estat calculada pels científics que signen aquest treball. Aquestes menudes ones en espai-temps van ser ja predites per Albert Einstein en la seua Teoria General de la Relativitat, però no han estat detectades de forma directa fins a la data. La raó és que l’efecte que el pas d’aquestes ones gravitatòries produeix sobre la matèria és realment minúscul i, en la pràctica, es confonen amb altres senyals també detectats. S’espera que les propietats del senyal gravitatori simulades ajuden a altres grups de científics a descobrir ones gravitatòries reals entre les dades obtingudes pels detectors actuals o de futura construcció.

Actualment hi ha cinc detectors interferomètrics d’ones gravitacionals al món: el projecte alemany/britànic GEO800, prop de Hanover, Alemanya, els tres detectors LIGO als EEUU- Louisiana i Washington i el projecte franc/italià Virgo, a Pisa, Itàlia. Un nou detector espacial (LISA– Laser Interferometer Space Antenna) es troba entre els plans de l’Agència Europea de l’Espai i la NASA, i el seu llançament està programat per a 2020.

Publicació original: L. Rezzolla, B. Giacomazzo, L. Baiotti, J. Granot, C. Kouveliotou & M. A. Aloy, /The missing link: merging neutron stars naturally produce jet-like structures and can power short gamma-ray bursts/,// ApJ//// *732* L6 http://iopscience.iop.org/2041-8205/732/ /L6 Astrophysical Journal Letters, 2011.

El video adjunt ha estat realitzat pel Goddard Space Flight Center de la NASA per a la divulgació d’aquest treball.