viernes, 20 de octubre de 2017

Telescopios de ESO observan la primera luz de una fuente de ondas gravitacionales

Telescopios de ESO observan la primera luz de una fuente de ondas gravitacionales

Estrellas de neutrones fusionándose dispersan oro y platino en el espacio

16 de Octubre de 2017
Una batería de telescopios de ESO, en Chile, ha detectado la primera contraparte visible de una fuente de ondas gravitacionales. Estas observaciones históricas sugieren que este objeto único es el resultado de una fusión de dos estrellas de neutrones. Las secuelas cataclísmicas de este tipo de fusión — eventos predichos hace mucho y llamados kilonovas — dispersan en el universo elementos pesados como el oro y el platino. Este descubrimiento, publicado en varios artículos en la revista Nature y en otras publicaciones, también ofrece la evidencia más sólida obtenida hasta ahora de que los estallidos de rayos gamma de corta duración son generados por la fusión de estrellas de neutrones.
Por primera vez, los astrónomos han observado tanto ondas gravitacionales como luz (radiación electromagnética) procedentes del mismo evento gracias a un esfuerzo de colaboración global y a una rápida reacción tanto de las instalaciones de ESO como de otras instalaciones internacionales.
El 17 de agosto de 2017, LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, observatorio de ondas gravitacionales de interferómetro láser), de la NSF e instalado en los Estados Unidos, junto con el Interferómetro VIRGO, en Italia, detectaron ondas gravitacionales  pasando por la Tierra. Este evento, el quinto detectado de su tipo, fue bautizado como GW170817. Unos dos segundos más tarde, dos observatorios espaciales, Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope, telescopio espacial de rayos gamma) de la NASA,  e INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory, laboratorio de astrofísica de rayos gamma internacional) de la ESA, detectaron un estallido de rayos gammacorto en la misma zona del cielo.
La red del observatorio avanzado LIGO-Virgo ubicó la fusión dentro de una gran región del cielo austral, del tamaño de varios cientos de lunas llenas, que contiene millones de estrellas [1]. A medida que caía la noche sobre Chile, muchos telescopios estudiaron detenidamente esa zona del cielo en busca de nuevas fuentes. Eso incluyó a los telescopios VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) y al telescopio de sondeo del VLT (VST), ambos en el Observatorio Paranal, el telescopio italiano REM (Rapid Eye Mount), en el Observatorio la Silla de ESO, el Telescopio de 0.4 metros LCO, en el Observatorio Las Cumbres, y el americano DECcam, en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo. El primero en anunciar que había visto un nuevo punto de luz fue el Telescopio Swope de 1 metro. Apareció muy cerca de NGC 4993, una galaxia lenticular en la constelación de Hidra, y las observaciones de VISTA señalaron claramente esta fuente en longitudes de onda infrarrojas casi al mismo tiempo. Dado que la noche se movía hacia el oeste, los telescopios de la isla de Hawái Pan-STARRS y Subaru también la captaron y observaron su rápida evolución.
"Hay ocasiones excepcionales en las que, quienes nos dedicamos a la ciencia, tenemos la oportunidad de presenciar el principio de una nueva era", afirmó Elena Pian, astrónoma del INAF (Italia) y autora principal de uno de los artículos de la revista Nature. "¡Esta es una de ellas!".
ESO puso en marcha uno de las mayores campañas de observación de “eventos impredecibles” (ToO, Target of Opportunity, en inglés) jamás creadas y muchos telescopios, tanto de ESO como de colaboradores de ESO,  observaron el objeto durante las semanas que siguieron a la detección [2]. El VLT (Very Large Telescope) de ESO, el NTT (New Technology Telescope), el VST (VLT Survey Telescope), el Telescopio MPG/ESO de 2,2 metros y ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) [3], todos observaron el evento y sus efectos en una amplia gama de longitudes de onda. Unos 70 observatorios de todo el mundo observaron también este evento, incluyendo el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA.
Las estimaciones de distancia de los datos recogidos tanto en ondas gravitacionales como en las demás observaciones concuerdan con que GW170817 está a la misma distancia que NGC 4993, a unos 130 millones años luz de la Tierra. Esto hace que la fuente sea tanto el evento de ondas gravitacionales como la explosión de rayos gamma más cercanos detectados hasta ahora [4].
Las ondas en el espacio-tiempo, conocidas como ondas gravitacionales, son creadas por  masas en movimiento, pero, actualmente,  sólo pueden detectarse las más intensas, generadas por los rápidos cambios de velocidad de objetos muy masivos. Un evento de este tipo es la fusión de estrellas de neutrones, núcleos extremadamente densos de estrellas muy masivas que colapsan tras explotar como supernovas [5]. Hasta ahora, estas fusiones han sido la principal hipótesis para explicar los estallido de rayos gamma cortos. Se espera que, a este tipo de evento, le siga un evento explosivo (conocido como kilonova) 1.000 veces más brillante que la típica nova.
Las detecciones casi simultáneas de las ondas gravitacionales y los rayos gamma de GW170817 hace que se tengan esperanzas de que este objeto sea un ejemplar de la tan buscada kilonova, y las observaciones llevadas a cabo con instalaciones de ESO han revelado propiedades notablemente cercanas a las predicciones teóricas. Hace más de 30 años que se postuló la existencia de las kilonovas, pero esta es la primera observación confirmada.
Tras la fusión de dos estrellas de neutrones, una explosión de elementos químicos pesados radiactivos de rápida expansión se alejó de la kilonova a una quinta parte de la velocidad de la luz. El color de la kilonova cambió de muy azul a muy roja durante los días posteriores, el cambio más rápido observado en explosiones estelares.
"Cuando el espectro apareció en nuestras pantallas me di cuenta de que se trataba del evento transitorio más inusual que había visto nunca”, comentó Stephen Smartt, quien dirigió las observaciones con el NTT de ESO como parte del programa de observación ePESSTO (Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects, sondeo espectroscópico de objetos transitorios público de ESO). "Nunca había visto nada igual. Nuestros datos, junto con los de otros grupos, demostraron a todos que esto no era una supernova o una estrella variable de primer plano, sino algo mucho más extraordinario".
Los espectros de ePESSTO y del instrumento X-shooter, instalado en el VLT, sugieren la presencia de cesio y telurio expulsado de las estrellas de neutrones en fusión. Estos y otros elementos pesados, producidos durante la fusión de las estrellas de neutrones, serían lanzados al espacio por la posterior kilonova. Estas observaciones enlazan la formación de elementos más pesados que el hierro mediante reacciones nucleares dentro de objetos estelares de alta densidad, conocidos como proceso r de captura neutrónica, algo que hasta ahora solo se había teorizado.
"Los datos que tenemos hasta ahora encajan de forma increíble con la teoría. Es un triunfo para los teóricos, una confirmación de que los eventos de LIGO-VIRGO son absolutamente reales y un logro para ESO por haber reunido un sorprendente conjunto de datos sobre la kilonova", añade Stefano Covino, autor principal de uno de los artículos para la revista Nature Astronomy.
Andrew Levan, autor principal de uno de los artículos, concluye, "La gran fuerza de ESO es que tiene una amplia gama de telescopios e instrumentos para hacer frente a grandes y complejos proyectos astronómicos, incluso para eventos impredecibles y con cortos plazos de tiempo. ¡Hemos entrado en una nueva era de la astronomía multimensajero!".

Notas

[1] La detección de LIGO–Virgo localizó la fuente en un área del cielo de unos 35 grados cuadrados.

[2] La galaxia sólo es observable en agosto al atardecer y, por aquel entonces, estaba demasiado cerca del Sol en el cielo para poder ser observada en septiembre.

[3] En el VLT, las observaciones se hicieron con el espectrógrafo X-shooter, instalado en la Unidad de Telescopio 2 (UT2); FORS2 (Focal Reducer and low dispersión Spectrograph 2) y CONICA (Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) (NACO), en la Unidad de Telescopio 1 (UT1); VIMOS (VIsible Multi-Object Spectrograph ) y VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared), instalados en la Unidad de Telescopio 3 (UT3); y MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) y HAWK-I (High Acuity Wide-field K-band Imager) en la Unidad de Telescopio 4 (UT4). El VST observe usando la cámara  OmegaCAM y VISTA observó con VIRCAM (VISTA InfraRed CAMera). A través del programa ePESSTO, el NTT recogió espectros visibles con el espectrógrafo EFOSC2 (ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2 y espectros infrarrojos con el espectrógrafo SOFI (Son of ISAAC).  El Telescopio MPG/ESO de 2,2 metros observó usando el instrumento GROND (Gamma-ray Burst Optical/Near-infrared Detector).

[4] La distancia comparativamente pequeña entre la Tierra y la fusión de estrellas de neutrones, 130 millones de años luz, hizo posibles las observaciones, ya que la fusión de estrellas de neutrones crea ondas gravitacionales más débiles que la fusión de agujeros negros, que fue probablemente el caso en las primeras cuatro detecciones de ondas gravitacionales.

[5] Cuando dos estrellas de neutrones se orbitan mutuamente en un sistema binario, pierden energía emitiendo ondas gravitacionales. Se van acercando hasta que, cuando finalmente se encuentran, parte de la masa del remanente estelar se convierte en energía en un violento estallido de ondas gravitacionales, tal como describe la famosa ecuación de Einstein E=mc2.

Información adicional

Esta investigación fue presentada en una serie de artículos científicos que aparecen en las revistas Nature, Nature Astronomy y Astrophysical Journal Letters.
Pueden encontrar la amplia lista de miembros de los equipos participantes en este archivo PDF.
ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro Armazones, ESO está construyendo el ELT (Extremely Large Telescope), el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.
LIGO está financiado por la NSF y operado por Caltech y MIT, que concibieron LIGO y lideraron los proyectos “Initial” y “Advanced” LIGO. El apoyo financiero del proyecto Advanced LIGO fue liderado por la NSF, y Alemania (Max Planck Society), Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) y Australia (Australian Research Council) hicieron significativas aportaciones y contribuciones al proyecto. Más de 1.200 científicos y científicas de todo el mundo participant en este gran esfuerzo a través de la colaboración “LIGO Scientific Collaboration”, que incluye a la “GEO Collaboration”. Aquí pueden encontrar una lista con el resto de socios: http://ligo.org/partners.php.
La colaboración Virgo consiste en más de 280 físicos e ingenieros pertenecientes a 20 grupos de investigación europeos: seis del CNRS ( Centre National de la Recherche Scientifique), en Francia; ocho del INFN ( Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), en Italia; dos en los países bajos con Nikhef; el MTA Wigner RCP en Hungría; el grupo POLGRAW en Polonia; España, con la Universidad de Valencia; y el Observatorio Gravitacional  Europeo, EGO, el laboratorio que alberga el detector de Virgo cerca de Pisa, en Italia, financiado por el CNRS, el INFN y Nikhef.
Las traducciones de las notas de prensa de ESO las llevan a cabo miembros de la Red de Divulgación de la Ciencia de ESO (ESON por sus siglas en inglés), que incluye a expertos en divulgación y comunicadores científicos de todos los países miembros de ESO y de otras naciones.

El nodo español de la red ESON está representado por J. Miguel Mas Hesse y Natalia Ruiz Zelmanovitch.

Enlaces

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    • Ficha técnica (PDF file, 105 KB)
    • Artículo científico 1: “Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger”, by E. Pian et al. in Nature. (PDF file, 196 KB)
    • Artículo científico 2: “The emergence of a lanthanide-rich kilonova following the merger of two neutron stars”, by N. R. Tanvir et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 843 KB)
    • Artículo científico 3: “The electromagnetic counterpart to a gravitational wave source unveils a kilonova”, by S. J. Smartt et al. in Nature (PDF file, 9 MB)
    • Artículo científico 4: “The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817”, by S. Covino et al. in Nature Astronomy (PDF file, 230 KB)
    • Artículo científico 5: “The Distance to NGC 4993 — The host galaxy of the gravitational wave event GW17017”, by J. Hjorth et al. in Astrophysical Journal LettersPaper 6: “The environment of the binary neutron star merger GW170817”, by A. J. Levan et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.4 MB)
    • Artículo científico 6: “The environment of the binary neutron star merger GW170817”, by A. J. Levan et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.6 MB)
    • Nota de prensa de LIGO
    • Nota de prensa de ESA/Hubble

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      Nial Tanvir
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      Correo electrónico: nrt3@leicester.ac.uk

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