Los estallidos de rayos gamma (GRB) son explosiones cósmicas breves y extremadamente poderosas, apareciendo de repente en el cielo, aproximadamente una vez al día. Se cree que son el resultado del colapso de estrellas masivas o la fusión de estrellas de neutrones en galaxias distantes. Comienzan con una inicial, destello muy brillante, llamado la pronta emisión, con una duración que va desde una fracción de segundo hasta cientos de segundos. La pronta emisión va acompañada del llamado resplandor crepuscular, una emisión menos brillante pero más duradera en una amplia gama de longitudes de onda que se desvanece con el tiempo. El primer GRB detectado por los telescopios MAGIC, conocido como GRB 190114C, revela por primera vez los fotones de mayor energía medidos a partir de estos objetos.

Este logro innovador de MAGIC proporciona una nueva perspectiva crítica para comprender los procesos físicos en el trabajo en los GRB, que aún son misteriosos. Los fotones detectados por MAGIC deben originarse a partir de un proceso nunca antes visto en los resplandores de los GRB, claramente distinto del proceso físico que se sabe que es responsable de su emisión a energías más bajas (consulte las Notas al margen para obtener más información sobre los GRB, resplandores, emisión de sincrotrón, y los telescopios MAGIC)

Detección MAGIC y observaciones de múltiples longitudes de onda de GRB 190114C

El 14 de enero 2019, Un GRB fue descubierto de forma independiente por dos satélites espaciales:el Observatorio Swift Neil Gehrels y el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi. El evento se denominó GRB 190114C, y en 22 segundos, sus coordenadas en el cielo se distribuyeron como una alerta electrónica a los astrónomos de todo el mundo, incluida la colaboración MAGIC, que opera dos telescopios Cherenkov de 17 m de diámetro ubicados en La Palma, España. Dado que los GRB aparecen en ubicaciones impredecibles en el cielo y luego se desvanecen rápidamente, su observación con telescopios como MAGIC requiere una estrategia de seguimiento dedicada.

Un sistema automático procesa en tiempo real las alertas GRB de los instrumentos satelitales y hace que los telescopios MAGIC apunten rápidamente a la posición del cielo del GRB. Los telescopios fueron diseñados para ser muy livianos y capaces de reapuntar rápidamente:a pesar del peso de 64 toneladas cada uno, pueden alcanzar y comenzar a observar cualquier posición dada en el cielo en apenas unos 25 segundos. MAGIC pudo iniciar la observación de GRB 190114C solo 50 segundos después del comienzo del GRB.

El análisis de los datos resultantes durante las primeras decenas de segundos revela la emisión de fotones en el resplandor que alcanza energías de teraelectronvolt (TeV), es decir, un billón de veces más energético que la luz visible. Durante este tiempo, la emisión de fotones de TeV de GRB 190114C fue 100 veces más intensa que la fuente estable más brillante conocida a energías de TeV, la Nebulosa del Cangrejo. De este modo, GRB 190114C se convirtió en el que estableció récords como la fuente más brillante conocida de fotones TeV. Como se esperaba para los resplandores de GRB, la emisión se desvaneció rápidamente con el tiempo, similar a la emisión de resplandor que se había conocido a energías más bajas. Los últimos destellos fueron vistos por MAGIC media hora después.

Por primera vez, la detección inequívoca de fotones TeV de un GRB fue anunciada por la Colaboración MAGIC a la comunidad internacional de astrónomos apenas unas horas después de las alertas del satélite, después de una cuidadosa verificación de los datos preliminares. Esto facilitó una extensa campaña de observaciones de seguimiento de longitud de onda múltiple (MWL) de GRB 190114C por más de dos docenas de observatorios e instrumentos, proporcionando una imagen de observación completa de este GRB desde la banda de radio hasta las energías TeV. En particular, Las observaciones ópticas permitieron medir la distancia a GRB 190114C. Se descubrió que este GRB se encuentra en una galaxia desde la cual la luz tardó 4.500 millones de años en llegar a la Tierra.

Fotones de mayor energía de un proceso de emisión recientemente revelado

Aunque la emisión de TeV en los resplandores de GRB se había predicho en algunos estudios teóricos, había permanecido esquiva desde el punto de vista de la observación durante mucho tiempo, a pesar de numerosas búsquedas en energías TeV durante las últimas décadas con varios instrumentos, incluyendo MAGIC. ¿Qué mecanismo físico está detrás de la producción de los fotones TeV finalmente detectados por MAGIC? Antonio Stamerra, el Portavoz adjunto de la colaboración MAGIC, señala:"Estas energías son mucho más altas de lo que se puede esperar de la radiación de sincrotrón, causada por electrones de alta energía que giran en espiral en campos magnéticos. Se entiende que este proceso es responsable de la emisión que se había observado previamente a energías más bajas en los resplandores de GRB. Estos nuevos resultados, junto con los datos MWL muy completos, proporcionar la primera evidencia inequívoca de un adicional, proceso de emisión distinto en el resplandor crepuscular ". Lara Nava, científico asociado a la colaboración MAGIC, agrega:"De nuestro estudio, el origen más probable de la emisión de TeV es el llamado proceso Compton inverso, donde una población de fotones aumenta significativamente en energía al chocar con electrones de alta energía ".

"Después de más de 50 años desde que se descubrieron los GRB, muchos de sus aspectos fundamentales siguen siendo misteriosos, "dice Razmik Mirzoyan, el Portavoz de la Colaboración MAGIC. "El descubrimiento de la emisión de rayos gamma de GRB 190114C en el nuevo, La ventana TeV del espectro electromagnético muestra que las explosiones GRB son incluso más poderosas de lo que se pensaba antes. La gran cantidad de datos nuevos sobre GRB 190114C adquiridos por MAGIC y las extensas observaciones de seguimiento de MWL ahora ofrecen pistas importantes para desentrañar algunos de los misterios relacionados con los procesos físicos que operan en los GRB ".

Un estudio comparativo de todos los seguimientos anteriores de GRB realizado por MAGIC sugiere que GRB 190114C no fue un evento particularmente único, excepto por su relativa proximidad (la luz tardó 4.500 millones de años en llegar a la Tierra), y que la detección exitosa se debe al excelente desempeño del instrumento. "MAGIC ha abierto una nueva ventana para estudiar los GRB, "dice Susumu Inoue, el coordinador del grupo de trabajo MAGIC Transients más involucrado en el proyecto. "Nuestros resultados indican que podemos detectar muchos más GRB en energías TeV. Esto allanará el camino para una comprensión mucho más profunda de estas fascinantes explosiones cósmicas".

El estudio se publica en Naturaleza .