Impresión artística de un chorro relativista de un estallido de rayos gamma (GRB), saliendo de una estrella que colapsa, y emitiendo fotones de muy alta energía. Crédito:DESY, Laboratorio de comunicación científica
Los científicos han obtenido la mejor vista hasta ahora de las explosiones más brillantes del universo:un observatorio especializado en Namibia ha registrado la radiación más enérgica y el resplandor de rayos gamma más largo de un llamado estallido de rayos gamma (GRB) hasta la fecha. Las observaciones con el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (H.E.S.S.) desafían la idea establecida de cómo se producen los rayos gamma en estas colosales explosiones estelares que son los gritos de nacimiento de los agujeros negros. como informa el equipo internacional en la revista Ciencias .
"Los estallidos de rayos gamma son rayos X brillantes y destellos de rayos gamma observados en el cielo, emitidos por fuentes extragalácticas distantes, "explica la científica de DESY Sylvia Zhu, uno de los autores del artículo. "Son las explosiones más grandes del universo y están asociadas con el colapso de una estrella masiva que gira rápidamente en un agujero negro. Una fracción de la energía gravitacional liberada alimenta la producción de una onda explosiva ultrarelativista. Su emisión se divide en dos fases distintas:una fase inicial caótica que dura decenas de segundos, seguido de un duradero, fase de resplandor que se desvanece suavemente ".
El 29 de agosto de 2019, los satélites Fermi y Swift detectaron un estallido de rayos gamma en la constelación de Eridanus. El evento, catalogado como GRB 190829A según su fecha de ocurrencia, resultó ser uno de los estallidos de rayos gamma más cercanos observados hasta ahora, con una distancia de aproximadamente mil millones de años luz. A modo de comparación:el estallido típico de rayos gamma está a unos 20 mil millones de años luz de distancia. "Realmente estábamos sentados en la primera fila cuando ocurrió este estallido de rayos gamma, "explica el coautor Andrew Taylor de DESY. El equipo captó el resplandor de la explosión inmediatamente cuando se hizo visible para los telescopios H.E.S.S." Pudimos observar el resplandor durante varios días y energías de rayos gamma sin precedentes, "informa Taylor.
Impresión artística de fotones de muy alta energía de un estallido de rayos gamma que ingresa a la atmósfera de la Tierra e inicia lluvias de aire que están siendo registradas por los telescopios del Sistema Estereoscópico de Alta Energía (H.E.S.S.) en Namibia. Crédito:DESY, Laboratorio de comunicación científica
La distancia comparativamente corta hasta este estallido de rayos gamma permitió mediciones detalladas del espectro del resplandor crepuscular, que es la distribución de "colores, "o energías de fotones, de la radiación en el rango de energía muy alta. "Podríamos determinar el espectro de GRB 190829A hasta una energía de 3,3 tera-electronvoltios, eso es aproximadamente un billón de veces más energético que los fotones de la luz visible, "explica la coautora Edna Ruiz-Velasco del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg." Esto es lo excepcional de este estallido de rayos gamma:sucedió en nuestro patio trasero cósmico donde los fotones de muy alta energía no fueron absorbidos. en colisiones con la luz de fondo en su camino a la Tierra, como sucede en distancias mayores en el cosmos ".
El equipo podría seguir el resplandor hasta tres días después de la explosión inicial. El resultado fue una sorpresa:"Nuestras observaciones revelaron similitudes curiosas entre los rayos X y la emisión de rayos gamma de muy alta energía del resplandor crepuscular del estallido, "informa Zhu. Las teorías establecidas asumen que los dos componentes de emisión deben ser producidos por mecanismos separados:el componente de rayos X se origina a partir de electrones ultrarrápidos que se desvían en los fuertes campos magnéticos del entorno de la explosión. Este proceso de" sincrotrón "es bastante similar a cómo los aceleradores de partículas en la Tierra producen rayos X brillantes para investigaciones científicas.
Sin embargo, según las teorías existentes, parecía muy poco probable que incluso las explosiones más poderosas del universo pudieran acelerar los electrones lo suficiente como para producir directamente los rayos gamma de muy alta energía observados. Esto se debe a un "límite de quemado, "que está determinado por el equilibrio de aceleración y enfriamiento de las partículas dentro de un acelerador. La producción de rayos gamma de muy alta energía requiere electrones con energías mucho más allá del límite de combustión. En cambio, Las teorías actuales asumen que en un estallido de rayos gamma, los electrones rápidos chocan con los fotones de sincrotrón y, por lo tanto, los impulsan a energías de rayos gamma en un proceso denominado sincrotrón autocompton.
Los rayos X del estallido de rayos gamma fueron detectados por el satélite Swift de la NASA en la órbita de la Tierra. Los rayos gamma de muy alta energía entraron en la atmósfera e iniciaron lluvias de aire que fueron detectadas por el H.E.S.S. telescopios desde el suelo (impresión del artista). Crédito:DESY, Laboratorio de comunicación científica
Pero las observaciones del resplandor crepuscular de GRB 190829A ahora muestran que ambos componentes, Rayos X y rayos gamma, se desvaneció en sincronía. También, el espectro de rayos gamma coincidía claramente con una extrapolación del espectro de rayos X. Juntos, Estos resultados son una fuerte indicación de que los rayos X y los rayos gamma de muy alta energía en este resplandor se produjeron por el mismo mecanismo. "Es bastante inesperado observar características espectrales y temporales tan notablemente similares en los rayos X y las bandas de energía de rayos gamma de muy alta energía, si la emisión en estos dos rangos de energía tuviera diferentes orígenes, ", dice el coautor Dmitry Khangulyan de la Universidad de Rikkyo en Tokio. Esto plantea un desafío para el origen del sincrotrón autocompton de la emisión de rayos gamma de muy alta energía.
La implicación de gran alcance de esta posibilidad pone de relieve la necesidad de realizar más estudios sobre la emisión de resplandor crepuscular de GRB de muy alta energía. GRB 190829A es solo el cuarto estallido de rayos gamma detectado desde el suelo. Sin embargo, las explosiones detectadas anteriormente ocurrieron mucho más lejos en el cosmos y su resplandor solo pudo observarse durante unas pocas horas cada una y no a energías superiores a 1 tera-electronvoltio (TeV). "Mirando hacia el futuro, las perspectivas para la detección de explosiones de rayos gamma por instrumentos de próxima generación como el Cherenkov Telescope Array que se está construyendo actualmente en los Andes chilenos y en la isla canaria de La Palma parecen prometedoras, "dice el portavoz de H.E.S.S. Stefan Wagner de Landessternwarte Heidelberg." La abundancia general de estallidos de rayos gamma nos lleva a esperar que las detecciones regulares en la banda de muy alta energía se volverán bastante comunes, ayudándonos a comprender plenamente su física ".
