Durante la formación de un agujero negro, se produce un estallido brillante de luz muy energética en forma de rayos gamma, estos eventos se denominan estallidos de rayos gamma. La física detrás de este fenómeno incluye muchos de los campos menos comprendidos dentro de la física actual:gravedad general, temperaturas extremas y aceleración de partículas mucho más allá de la energía de los aceleradores de partículas más potentes de la Tierra.

Para analizar estos estallidos de rayos gamma, investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), en colaboración con el Instituto Paul Scherrer (PSI) de Villigen, Suiza, el Instituto de Física de Altas Energías en Beijing y el Centro Nacional de Investigación Nuclear de Swierk en Polonia, construyó el instrumento POLAR para analizar explosiones de rayos gamma, que se envió en 2016 al laboratorio espacial chino Tiangong-2. Contrariamente a las teorías predominantes, Los primeros resultados de POLAR revelan que los fotones de alta energía provenientes de los estallidos de rayos gamma no son completamente caóticos, ni completamente organizado, sino una mezcla de los dos:en breves intervalos de tiempo, se encuentra que los fotones oscilan en la misma dirección, pero la dirección de oscilación cambia con el tiempo. Estos resultados inesperados se informan en una edición reciente de la revista. Astronomía de la naturaleza .

Cuando dos estrellas de neutrones chocan o una estrella supermasiva colapsa sobre sí misma, se crea un agujero negro. Este nacimiento va acompañado de un estallido de rayos gamma (GRB), una longitud de onda de luz muy energética como la que emiten las fuentes radiactivas.

¿El entorno del nacimiento del agujero negro está organizado o es caótico?

Cómo y dónde se producen los rayos gamma sigue siendo un misterio, y hay dos escuelas de pensamiento sobre su origen. El primero predice que los fotones de GRB están polarizados, es decir, la mayoría de ellos oscilan en la misma dirección. Si este fuera el caso, la fuente de los fotones probablemente sería un campo magnético fuerte y bien organizado formado durante las violentas secuelas de la producción del agujero negro. Una segunda teoría sugiere que los fotones no están polarizados, lo que implica un entorno de emisión más caótico. Pero, ¿cómo comprobar esto?

"Nuestros equipos internacionales han construido el primer detector potente y dedicado, llamado POLAR, capaz de medir la polarización de los rayos gamma de GRB. Este instrumento nos permite conocer más sobre su fuente, "dijo Xin Wu, profesor del Departamento de Física Nuclear y de Partículas de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. Su funcionamiento es sencillo. Es un cuadrado de 50 x 50 cm ² compuesto por 1600 barras de centelleo en las que los rayos gamma chocan con los átomos que las componen. Cuando un fotón choca en una barra, podemos medirlo. Después, puede producir un segundo fotón que puede provocar una segunda colisión visible. "Si los fotones están polarizados, observamos una dependencia direccional entre las posiciones de impacto de los fotones, continúa Nicolas Produit, investigador del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. De lo contrario, si no hay polarización, el segundo fotón resultante de la primera colisión saldrá en una dirección completamente aleatoria ".

Orden dentro del caos

En seis meses POLAR ha detectado 55 explosiones de rayos gamma, y el científico analizó la polarización de los rayos gamma de los cinco más brillantes. Los resultados son sorprendentes, por decir lo menos. "Cuando analizamos la polarización de un estallido de rayos gamma en su conjunto, vemos como mucho una polarización muy débil, que parece favorecer claramente varias teorías, "dice Merlin Kole, investigador del Departamento de Física Nuclear y de Partículas de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y uno de los principales autores del trabajo.

Ante este primer resultado, los científicos observaron con más detalle un estallido de rayos gamma muy poderoso de nueve segundos de duración y lo cortaron en intervalos de tiempo de dos segundos. "Allí, descubrimos con sorpresa que, de lo contrario, los fotones están polarizados en cada corte, pero la dirección de oscilación es diferente en cada corte, "Dice Xin Wu. Es este cambio de dirección lo que hace que el GRB completo parezca muy caótico y no polarizado". Los resultados muestran que a medida que se produce la explosión, sucede algo que hace que los fotones se emitan con una dirección de polarización diferente. ¿Qué podría ser esto? realmente no lo sabemos "dice Kole.

Estos primeros resultados confrontan a los teóricos con nueva información, requiriéndoles que produzcan predicciones más detalladas. "Ahora queremos construir POLAR-2, que será más grande y más precisa. Con ese, podemos profundizar en estos procesos caóticos para descubrir la fuente de los rayos gamma y desentrañar los misterios de estos procesos físicos altamente energéticos, "explica Nicolas Produit.