El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA estudiará kilonovas

 

¿Qué sucede cuando las estrellas más densas y masivas, que también son súper pequeñas, chocan? Envían explosiones brillantes conocidas como kilonovas. Son como fuegos artificiales naturales del universo. Los teóricos sospechan que ocurren periódicamente en todo el cosmos.

En mayo de 2027 se lanzará el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, con el que los científicos tendrán un observatorio más para ayudar a seguir, e incluso explorar, estos impresionantes eventos.

Los actores clave en las kilonovas son las estrellas de neutrones, los núcleos centrales de las estrellas que colapsaron por la gravedad durante las explosiones de supernovas. Cada una tiene una masa similar a la del Sol, pero solo tienen unos 10 kilómetros de diámetro. Y cuando chocan, lanzan escombros que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. También se cree que estas explosiones forjan elementos pesados, como el oro, el platino y el estroncio (lo que le confiere a estos eventos sus impresionantes rojos). Las kilonovas disparan esos elementos a través del espacio, permitiéndoles potencialmente terminar como rocas que forman la corteza de planetas terrestres como la Tierra.

La comunidad astronómica capturó uno de estos notables eventos de kilonova en 2017. Los científicos del Observatorio LIGO de la National Science Foundation detectaron primero la colisión de dos estrellas de neutrones con ondas gravitacionales: ondas en el espacio-tiempo. Casi simultáneamente, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, detectó luz de alta energía. Rápidamente, la NASA apuntó al evento una flota más amplia de telescopios y capturó, en una serie de imágenes, el brillo desvaneciéndose de los escombros en expansión de la explosión.

En este caso, los actores principales del evento se encuentran a sólo 130 millones de años luz de distancia. Debe haber más kilonovas, y muchas que están más lejos, salpicando nuestro universo siempre activo.

“Todavía no sabemos la tasa de estos eventos”, dijo Daniel M. Scolnic, profesor asistente de física en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte. Scolnic dirigió un estudio que estima la cantidad de kilonovas que podrían ser descubiertas por observatorios pasados, presentes y futuros, incluido el Roman. “¿Es típico el único kilonova que identificamos? ¿Cuán brillantes son estas explosiones? ¿En qué tipos de galaxias ocurren? Los telescopios existentes no pueden cubrir áreas lo suficientemente amplias ni observar lo necesariamente profundo para encontrar ejemplos más distantes, pero eso cambiará con Roman.

En este punto, LIGO lidera el grupo en la identificación de fusiones de estrellas de neutrones. Puede detectar ondas gravitacionales en todas las áreas del cielo, pero algunas de las colisiones más distantes pueden ser demasiado débiles para ser identificadas. El Telescopio Roman está listo para unirse a la búsqueda de LIGO, ofreciendo cualidades complementarias que ayuden a “completar” el equipo. El Roman es un telescopio que explorará repetidamente las mismas áreas del cielo. Además, el campo de visión del Roman es 200 veces más grande que la vista infrarroja del telescopio espacial Hubble, no tan vasto como el de LIGO, pero enorme para un telescopio que toma imágenes. Su cadencia permitirá a los investigadores detectar cuándo los objetos en el cielo se iluminan o se oscurecen, ya sea cerca o muy lejos.

¿Cómo detectará el Telescopio Espacial Roman de la NASA las kilonovas, breves destellos de luz emitidos por la fusión de dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro? En parte, debido al amplio campo de visión del telescopio. La vista del Roman es 200 veces más grande que la vista infrarroja del telescopio espacial Hubble. Una vez que el Roman comience a observar el cielo a una cadencia regular después de su lanzamiento, planificado para 2027, los investigadores esperan poder identificar más de estos eventos espectaculares, tanto cercanos como muy lejanos. Aunque todavía no conocemos la tasa de estos eventos, cuando lleguen los datos del Roman, comenzaremos a aprender qué la frecuencia de estas fusiones y sus resultados.

El Roman proporcionará a los investigadores una poderosa herramienta para observar kilonovas extremadamente distantes debido a la expansión del espacio. La luz que salió de las estrellas hace miles de millones de años se estira, con el tiempo, en longitudes de onda más largas y rojas, conocidas como luz infrarroja. Dado que Roman se especializará en capturar luz infrarroja cercana, detectará la luz de objetos muy distantes. “Roman podrá ver algunas kilonovas cuya luz ha viajado alrededor de 7 mil millones de años para llegar a la Tierra”, explicó Eve Chase, investigadora postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México. Chase dirigió un estudio más reciente que simuló cómo las diferencias en la eyección de kilonovas pueden variar lo que esperamos observar desde los observatorios, incluido el Roman.

Hay un segundo beneficio de la luz infrarroja cercana: proporciona más tiempo para observar estos estallidos de corta duración. Las longitudes de onda de luz más cortas, como la ultravioleta y la visible, desaparecen de la vista en uno o dos días. La luz del infrarrojo cercano se puede recolectar durante una semana o más. Los investigadores han estado simulando los datos para ver cómo funcionará. “Para un subconjunto simulado de kilonovas, Roman podría observar algunas más de dos semanas después de que ocurriera la fusión de estrellas de neutrones”, agregó Chase. “Será una excelente herramienta para observar kilonovas que están muy lejos”.

Pronto, los investigadores sabrán mucho más sobre dónde ocurren las kilonovas y con qué frecuencia ocurren estas explosiones en la historia del universo. ¿Las que ocurrieron antes fueron diferentes de alguna manera? “El Roman permitirá que la comunidad astronómica comience a realizar estudios de población junto con una gran cantidad de nuevos análisis sobre la física de estas explosiones”, dijo Scolnic.

Un telescopio de exploración ofrece un enorme potencial, y también una tonelada de datos que requerirán un aprendizaje automático preciso. Los astrónomos se están enfrentando a este desafío al escribir códigos para automatizar estas búsquedas. En última instancia, los masivos conjuntos de datos del Roman ayudarán a los investigadores a desentrañar quizás los mayores misterios sobre las kilonovas hasta la fecha: ¿Qué sucede después de que chocan dos estrellas de neutrones? ¿Produce una sola estrella de neutrones, un agujero negro o algo completamente diferente? Con el Roman, reuniremos los datos que los investigadores necesitan para lograr avances sustanciales.

El Telescopio Espacial Nancy Grace Roman se administra en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt (Maryland) con la participación del Jet Propulsion Laboratory de la NASA y Caltech/IPAC (en el sur de California), el Space Telescope Science Institute (en Baltimore) y un equipo compuesto por científicos de varias instituciones de investigación. Los principales socios industriales son Ball Aerospace and Technologies Corporation en Boulder (Colorado), L3Harris Technologies en Melbourne (Florida) y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks (California).

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