Después de un viaje que duró unos dos mil millones de años, los fotones de un estallido de rayos gamma (GRB) extremadamente energético impactaron los sensores del Observatorio Swift Neil Gehrels y del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi el 9 de octubre de 2022. El GRB duró siete minutos, pero fue visible durante mucho más tiempo. Incluso los astrónomos aficionados detectaron la poderosa explosión en frecuencias visibles.
Fue tan poderoso que afectó la atmósfera de la Tierra, una hazaña notable para algo que se encuentra a más de dos mil millones de años luz de distancia. Es el GRB más brillante jamás observado y, desde entonces, los astrofísicos han buscado su origen.
La NASA dice que los GRB son las explosiones más poderosas del universo. Fueron detectados por primera vez a finales de la década de 1960 por satélites estadounidenses lanzados para vigilar la URSS. A los estadounidenses les preocupaba que los rusos pudieran seguir probando armas atómicas a pesar de firmar el Tratado de Prohibición de Ensayos Nucleares de 1963.
Ahora detectamos alrededor de un GRB por día y siempre están en galaxias distantes. Los astrofísicos lucharon por explicarlos y propusieron diferentes hipótesis. Se investigaron tantas cosas que en el año 2000 se publicaba una media diaria de 1,5 artículos sobre los GRB en revistas científicas.
Hubo muchas causas diferentes propuestas. Algunos pensaban que los GRB podrían liberarse cuando los cometas colisionaran con estrellas de neutrones. Otros pensaron que podrían provenir de estrellas masivas que colapsaron para convertirse en agujeros negros. De hecho, los científicos se preguntaron si los quásares, las supernovas, los púlsares e incluso los cúmulos globulares podrían ser la causa de los GRB o estar asociados con ellos de alguna manera.
Los GRB son confusos porque sus curvas de luz son muy complejas. No hay dos idénticos. Pero los astrofísicos progresaron y aprendieron algunas cosas. Los GRB de corta duración son causados por la fusión de dos estrellas de neutrones o la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro. Los GRB de mayor duración son causados por el colapso de una estrella masiva y la formación de un agujero negro.
Nuevas investigaciones en Astronomía de la Naturaleza Examinó el ultraenergético GRB 221009A, denominado "B.O.A.T:el más brillante de todos los tiempos", y encontró algo sorprendente. Cuando se descubrió inicialmente, los científicos dijeron que fue causado por el colapso de una estrella masiva en un agujero negro. La nueva investigación no contradice eso. Pero presenta un nuevo misterio:¿por qué no hay elementos pesados en la supernova recién descubierta?
La investigación es "Detección JWST de una supernova asociada con GRB 221009A sin una firma de proceso r". El autor principal es Peter Blanchard, becario postdoctoral del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA).
"El GRB era tan brillante que oscureció cualquier firma potencial de supernova en las primeras semanas y meses después de la explosión", dijo Blanchard. "En esos momentos, el llamado resplandor del GRB era como los faros de un automóvil que se acercan directamente a ti, impidiendo que veas el automóvil en sí. Por lo tanto, tuvimos que esperar a que se desvaneciera significativamente para darnos la oportunidad de viendo la supernova."
"Cuando confirmamos que el GRB fue generado por el colapso de una estrella masiva, nos dio la oportunidad de probar una hipótesis sobre cómo se forman algunos de los elementos más pesados del universo", dijo el autor principal Blanchard.
"No vimos firmas de estos elementos pesados, lo que sugiere que los GRB extremadamente energéticos como el B.O.A.T. no producen estos elementos. Eso no significa que todos los GRB no los produzcan, pero es una pieza clave de información a medida que continuamos entendiendo de dónde provienen estos elementos pesados. Las observaciones futuras con JWST determinarán si los primos 'normales' del B.O.A.T. producen estos elementos."
Los científicos saben que las explosiones de supernovas forjan elementos pesados. Son una fuente importante de elementos desde oxígeno (número atómico 8) hasta rubidio (número atómico 37) en el medio interestelar. También producen elementos más pesados que eso. Los elementos pesados son necesarios para formar planetas rocosos como la Tierra y para la vida misma. Pero es importante señalar que los astrofísicos no comprenden completamente cómo se producen los elementos pesados.
"Este evento es particularmente emocionante porque algunos habían planteado la hipótesis de que un estallido luminoso de rayos gamma como el B.O.A.T. podría producir muchos elementos pesados como el oro y el platino", dijo el segundo autor Ashley Villar de la Universidad de Harvard y el Centro de Astrofísica. Harvard y Smithsonian. "Si estuvieran en lo cierto, el B.O.A.T. debería haber sido una mina de oro. Es realmente sorprendente que no hayamos visto ninguna evidencia de estos elementos pesados."
Las estrellas forjan elementos pesados mediante nucleosíntesis. Tres procesos son responsables de esto:el proceso p, el proceso s y el proceso r (proceso de captura de protones, proceso de captura de neutrones lento y proceso de captura de neutrones rápido). El proceso r captura neutrones más rápido que el proceso s. proceso y es responsable de aproximadamente la mitad de los elementos más pesados que el hierro. El proceso r también es responsable de los isótopos más estables de estos elementos pesados.
Todo esto es para ilustrar la importancia del proceso r en el universo.
Los investigadores utilizaron el JWST para llegar al fondo de GRB 221009A. El GRB quedó oscurecido por la Vía Láctea, pero el JWST detecta la luz infrarroja y vio a través del gas y el polvo de la Vía Láctea. El NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) del telescopio detecta elementos como oxígeno y calcio, que generalmente se encuentran en las supernovas. Pero las firmas no eran muy brillantes, una sorpresa considerando lo brillante que era la supernova.
"No es más brillante que las supernovas anteriores", dijo el autor principal Blanchard. "Parece bastante normal en el contexto de otras supernovas asociadas con GRB menos energéticos. Se podría esperar que la misma estrella en colapso que produce un GRB muy energético y brillante también produzca una supernova muy energética y brillante. Pero resulta que ese no es el caso. . Tenemos este GRB extremadamente luminoso, pero una supernova normal."
Confirmar la presencia de la supernova fue un gran paso para comprender GRB 221009A. Pero la falta de una firma de proceso r sigue siendo confusa.
Los científicos sólo han confirmado el proceso r en la fusión de dos estrellas de neutrones, llamado explosión de kilonova. Pero hay muy pocas fusiones de estrellas de neutrones para explicar la abundancia de elementos pesados.
"Es probable que exista otra fuente", dijo Blanchard. "Se necesita mucho tiempo para que las estrellas de neutrones binarias se fusionen. Dos estrellas en un sistema binario primero tienen que explotar para dejar atrás estrellas de neutrones. Luego, pueden pasar miles de millones y miles de millones de años hasta que las dos estrellas de neutrones se acerquen lentamente y más cerca y finalmente fusionarse, pero las observaciones de estrellas muy antiguas indican que partes del universo se enriquecieron con metales pesados antes de que la mayoría de las estrellas de neutrones binarias hubieran tenido tiempo de fusionarse."
Los investigadores se han preguntado si las supernovas luminosas como ésta pueden explicar el resto. Las supernovas tienen una capa interna donde se podrían sintetizar elementos más pesados. Pero esa capa está oscurecida. Sólo después de que las cosas se calman es visible la capa interna.
"El material de la estrella que explotó es opaco en las primeras etapas, por lo que sólo se pueden ver las capas exteriores", dijo Blanchard. "Pero una vez que se expande y se enfría, se vuelve transparente. Entonces se pueden ver los fotones que salen de la capa interna de la supernova".
Todos los elementos tienen firmas espectroscópicas y el NIRSpec del JWST es un instrumento muy capaz. Pero no pudo detectar elementos más pesados, ni siquiera en la capa interna de la supernova.
"Al examinar el espectro del B.O.A.T.", no vimos ninguna firma de elementos pesados, lo que sugiere que eventos extremos como GRB 221009A no son fuentes primarias", dijo el autor principal Blanshard. "Esta es información crucial a medida que continuamos tratando de precisar dónde se forman los elementos más pesados."
Los científicos aún no están seguros sobre el GRB y su falta de elementos pesados. Pero hay otra característica que podría ofrecer una pista:los jets.
"Un segundo sitio propuesto para el proceso r son los núcleos de estrellas masivas que giran rápidamente y que colapsan en un agujero negro en acreción, produciendo condiciones similares a las posteriores a una fusión de BNS", escriben los autores en su artículo. "Las simulaciones teóricas sugieren que los flujos de salida de los discos de acreción en estos llamados 'colapsares' pueden alcanzar el estado rico en neutrones necesario para que se produzca el proceso r."
Los flujos del disco de acreción a los que se refieren los investigadores son chorros relativistas. Cuanto más estrechos son los chorros, más brillante y concentrada es su energía.
"Es como enfocar el haz de una linterna en una columna estrecha, a diferencia de un haz ancho que atraviesa toda una pared", dijo Laskar. "De hecho, este fue uno de los chorros más estrechos observados hasta ahora en un estallido de rayos gamma, lo que nos da una pista de por qué el resplandor apareció tan brillante como lo hizo. También puede haber otros factores responsables, una pregunta que Los investigadores seguirán estudiando en los años venideros."
Los investigadores también utilizaron NIRSpec para recopilar un espectro de la galaxia anfitriona del GRB. Tiene la metalicidad más baja de cualquier galaxia que se sepa que alberga un GRB. ¿Podría ser ese un factor?
"Este es uno de los entornos de metalicidad más baja de cualquier LGRB, que es una clase de objetos que prefieren galaxias de baja metalicidad, y es, hasta donde sabemos, el entorno de metalicidad más baja de un GRB-SN hasta la fecha", escriben los autores. en sus investigaciones. "Esto puede sugerir que se requiere una metalicidad muy baja para producir un GRB muy energético".
"El espectro muestra signos de formación estelar, lo que sugiere que el entorno de nacimiento de la estrella original puede ser diferente al de eventos anteriores", dijo Blanshard.
Yijia Li es estudiante de posgrado en Penn State y coautora del artículo. "Este es otro aspecto único del B.O.A.T. que puede ayudar a explicar sus propiedades", dijo Li. "La energía liberada en el B.O.A.T. estuvo completamente fuera de serie, uno de los eventos más energéticos que los humanos hayan visto jamás. El hecho de que también parezca nacer de un gas casi primordial puede ser una pista importante para comprender sus propiedades superlativas. "
Este es otro caso en el que resolver un misterio lleva a otro sin respuesta. El JWST se lanzó para responder algunas de nuestras preguntas fundamentales sobre el universo. Al confirmar que hay una supernova detrás del GRB más poderoso jamás detectado, ha hecho parte de su trabajo.
Pero también encontró otro misterio y nos ha vuelto a dejar colgados.
El JWST está funcionando según lo previsto.
Más información: Peter K. Blanchard et al, Detección JWST de una supernova asociada con GRB 221009A sin una firma de proceso r, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4
Información de la revista: Astronomía de la Naturaleza
Proporcionado por Universe Today
