Las explosiones más fuertes del universo producen radiación aún más energética de lo que se conocía anteriormente:utilizando telescopios especializados, dos equipos internacionales han registrado los rayos gamma de mayor energía jamás medidos a partir de los llamados estallidos de rayos gamma, alcanzando aproximadamente 100 mil millones de veces más energía que la luz visible. Los científicos del H.E.S.S. y telescopios MAGIC presentan sus observaciones en publicaciones independientes en la revista Naturaleza . Estas son las primeras detecciones de explosiones de rayos gamma con telescopios terrestres de rayos gamma. DESY juega un papel importante en ambos observatorios, que operan bajo el liderazgo de la Sociedad Max Planck.

Los estallidos de rayos gamma (GRB) son repentinos, ráfagas cortas de radiación gamma que ocurren una vez al día en algún lugar del universo visible. Según los conocimientos actuales, se originan a partir de la colisión de estrellas de neutrones o de explosiones de supernovas de soles gigantes que colapsan en un agujero negro. "Los estallidos de rayos gamma son las explosiones más poderosas que se conocen en el universo y, por lo general, liberan más energía en solo unos segundos que nuestro Sol durante toda su vida; pueden brillar a través de casi todo el universo visible, "explica David Berge, jefe de astronomía de rayos gamma en DESY. El fenómeno cósmico fue descubierto por casualidad a fines de la década de 1960 por satélites utilizados para monitorear el cumplimiento de la prohibición de ensayos nucleares en la Tierra.

Desde entonces, Los astrónomos han estado estudiando explosiones de rayos gamma con satélites, ya que la atmósfera de la Tierra absorbe muy eficazmente los rayos gamma. Los astrónomos han desarrollado telescopios especializados que pueden observar un tenue resplandor azul llamado luz Cherenkov que los rayos gamma cósmicos inducen en la atmósfera. pero estos instrumentos solo son sensibles a los rayos gamma con energías muy altas. Desafortunadamente, el brillo de los estallidos de rayos gamma cae abruptamente con el aumento de energía. Los telescopios Cherenkov han identificado muchas fuentes de rayos gamma cósmicos a muy altas energías, pero sin estallidos de rayos gamma. Satélites por otra parte, tienen detectores demasiado pequeños para ser sensibles al bajo brillo de las explosiones de rayos gamma a energías muy altas. Entonces, era efectivamente desconocido, si las explosiones monstruosas emiten rayos gamma también en el régimen de muy alta energía.

Los científicos han intentado durante muchos años, para captar un estallido de rayos gamma con los telescopios Cherenkov. Entonces, de repente, entre el verano de 2018 y enero de 2019, dos equipos internacionales de astrónomos, ambos involucrando a científicos de DESY, detectaron rayos gamma de dos eventos GRB por primera vez desde el suelo. El 20 de julio de 2018, Se observó una tenue emisión de resplandor crepuscular de GRB 180720B en el régimen de rayos gamma con el telescopio de 28 metros del sistema estereoscópico de alta energía H.E.S.S. en Namibia. El 14 de enero de 2019, La emisión temprana brillante de GRB 190114C fue detectada por los grandes telescopios Cherenkov (MAGIC) de Imágenes Gamma Atmosféricas en La Palma, e inmediatamente anunciado a la comunidad astronómica.

Ambas observaciones fueron provocadas por satélites de rayos gamma de la agencia espacial estadounidense NASA que monitorean el cielo en busca de explosiones de rayos gamma y envían alertas automáticas a otros observatorios de rayos gamma al ser detectados. "Pudimos señalar la región de origen tan rápido que pudimos comenzar a observar solo 57 segundos después de la detección inicial de la explosión, "informa Cosimo Nigro del grupo MAGIC en DESY, quien estaba a cargo del turno de observación en ese momento. "En los primeros 20 minutos de observación, detectamos miles de fotones de GRB 190114C ".

MAGIC registró rayos gamma con energías entre 200 y 1000 mil millones de electronvoltios (0,2 a 1 teraelectronvoltio). "Estos son, con mucho, los fotones de mayor energía jamás descubiertos a partir de un estallido de rayos gamma, "dice Elisa Bernardini, líder del grupo MAGIC en DESY. A modo de comparación:la luz visible está en el rango de aproximadamente 1 a 3 electronvoltios.

El rápido descubrimiento permitió alertar rápidamente a toda la comunidad de observación. Como resultado, más de veinte telescopios diferentes tenían una mirada más profunda al objetivo. Esto permitió precisar los detalles del mecanismo físico responsable de la emisión de mayor energía, como se describe en el segundo documento liderado por la colaboración MAGIC. Las observaciones de seguimiento colocaron a GRB 190114C a una distancia de más de cuatro mil millones de años luz. Esto significa, su luz viajó más de cuatro mil millones de años hasta nosotros, o alrededor de un tercio de la edad actual del universo.

GRB 180720B, a una distancia de seis mil millones de años luz incluso más lejos, aún podría detectarse en rayos gamma a energías entre 100 y 440 mil millones de electronvoltios mucho después de la explosión inicial. "Asombrosamente, el H.E.S.S. El telescopio observó un excedente de 119 cuantos gamma desde la dirección de la explosión más de diez horas después de que los satélites vieron por primera vez el evento de explosión. "dice Stefan Ohm, jefe del H.E.S.S. grupo en DESY.

"La detección fue bastante inesperada, a medida que los estallidos de rayos gamma se desvanecen rápidamente, dejando un resplandor que se puede ver durante horas o días en muchas longitudes de onda, desde la radio hasta los rayos X, pero nunca antes se había detectado en rayos gamma de muy alta energía, "agrega el teórico de DESY Andrew Taylor, que contribuyó al H.E.S.S. análisis. "Este éxito también se debe a una estrategia de seguimiento mejorada en la que también nos concentramos en las observaciones posteriores al colapso real de la estrella".

La detección de explosiones de rayos gamma a energías muy altas proporciona nuevos conocimientos importantes sobre las gigantescas explosiones. "Habiendo establecido que los GRB producen fotones de energías cientos de miles de millones de veces más altas que la luz visible, ahora sabemos que los GRB son capaces de acelerar de manera eficiente las partículas dentro de la eyección de la explosión, "dice la investigadora de DESY Konstancja Satalecka, uno de los científicos que coordina las búsquedas de GRB en la colaboración MAGIC. "Y lo que es más, resulta que nos faltaba aproximadamente la mitad de su presupuesto energético hasta ahora. Nuestras mediciones muestran que la energía liberada en rayos gamma de muy alta energía es comparable a la cantidad irradiada en todas las energías más bajas tomadas juntas. ¡Eso es extraordinario! "

Explicar cómo se generan los rayos gamma de muy alta energía observados es un desafío. Ambos grupos asumen un proceso de dos etapas:Primero, Las partículas cargadas eléctricamente rápidas de la nube de explosión se desvían en los campos magnéticos fuertes y emiten la denominada radiación de sincrotrón. que es de la misma naturaleza que la radiación que se puede producir en sincrotrones u otros aceleradores de partículas en la Tierra, por ejemplo en DESY. Sin embargo, sólo en condiciones bastante extremas los fotones del sincrotrón de la explosión podrían alcanzar las energías muy altas observadas. En lugar de, los científicos consideran un segundo paso, donde los fotones del sincrotrón chocan con las partículas rápidas que los generaron, lo que los impulsa a las energías de rayos gamma muy altas registradas. Los científicos llaman a este último paso dispersión de Compton inversa.

"Por primera vez, los dos instrumentos han medido la radiación gamma de estallidos de rayos gamma desde el suelo, "concluye Berge." Estas dos observaciones innovadoras han establecido estallidos de rayos gamma como fuentes para los telescopios terrestres de rayos gamma. Esto tiene el potencial de mejorar significativamente nuestra comprensión de estos fenómenos violentos ". Los científicos estiman que se pueden observar hasta diez eventos de este tipo por año con la matriz de telescopios Cherenkov (CTA) planificada, el observatorio de rayos gamma de próxima generación. El CTA consistirá en más de 100 telescopios individuales de tres tipos que se construirán en dos ubicaciones en los hemisferios norte y sur. DESY es responsable de la construcción de los telescopios de tamaño mediano y albergará el Centro de Gestión de Datos Científicos de CTA en su campus en Zeuthen. Se espera que las observaciones de CTA comiencen en 2023 como muy pronto.