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La mayor explosión del universo

24 noviembre 2019 Deja un comentario

Dos equipos de astrónomos utilizando telescopios terrestres han logrado estudiar los rayos gamma liberados por la que se ha denominado mayor fuente de energía luminosa detectada en el cielo, según se puede leer en el artículo recientemente publicado en Nature.

Obra artística representando la explosión de rayus gamma. DESY Science Communication Lab.

Desde las profundidades del cosmos llegan haces de rayos gamma sin previo aviso hasta nuestro planeta. Se cree que proceden de un fenómeno catastrófico como la generación de un agujero negro ya sea por el colapso de una estrella o la fusión de una estrella de neutrones. Estas emisiones de radiaciones liberan más energía en pocos segundos que la energía producida por el Sol en 10 mil millones de años y cruzan todo el universo visible. A pesar de la distancia en la que se forman,  pueden romper átomos en nuestra atmósfera donde terminan disipados. Las explosiones de rayos gamma (denominadas con el acrónimo GRB en inglés) no son observables en el espectro visible pero si pueden ser detectados en teoría con redes de observatorios que cuentan con detectores  que deberían dar la señal de la llegada de pequeñas fracciones de estas radiaciones según los estudios teóricos.  La señal que permite afirmar la presencia de estas radiaciones es una luz denominada Cherenkov que se origina cuando las radiaciones gamma chocan con los átomos de la atmósfera produciendo la liberación de partículas con carga eléctrica.  Las dificultades para realizar observaciones de solo las mayores emisiones más brillantes de rayos gamma ha hecho que todavía no tengamos una clara conclusión sobre la magnitud de la energía de estas radiaciones. Hasta ahora solo se habían registrado explosiones de este tipo por debajo de los 100 gigaelectronvoltio, magnitud superada con creces en dos recientes detecciones.

Un hallazgo revolucionario

Las observaciones de dos grandes emisiones de rayos gamma fueron realizadas por dos equipos internacionales en el plazo de seis meses con observatorios Cherenkov en tierra hechos para ser capaces de captar señales de rayos gamma entre 30 GeV y 100 TeV. Han detectado de manera independiente estas radiaciones procedentes de dos explosiones GRB distintas. La primera observación se produjo en julio de 2018 en el High  Energy Stereoscopic System (HESS), formado por un conjunto de telescopios de 28 metros de diámetro en Namibia. Exactamente se detectó una señal de radios gamma por encima de los 100 gigaelectronvoltios procedente de la explosión de este tipo de radiaciones denominada GRB 180720b a 7 mil millones de años luz de distancia. La segunda de estas detecciones fue hecha por el los telescopios gemelos  Cherenkov (MAGIC) de 17 metros en la isla canaria de La Palma en enero de 2019. Estas radiaciones fueron originadas en GRB 190114c a una distancia de 5,5 mil millones de años luz. En este caso se detectó una pulso de rayos gamma de un tetraelectronvoltio, algo así como un trillón de veces más energía que la transportada por un fotón de luz visible, la mayor cantidad de energía procedente del cielo que se haya registrado hasta ahora.

La emisión de radiaciones de GRB 190114c (círculo verde) dentro de la galaxia espiral en la que se produjo. Imagen que es combinación de dos imágenes procedentes del Telescopio Espacial Hubble hechas el 11 de febrero y el 12 de marzo de 2019. Esta galaxia se encuentra en la Constelación del Horno a 5,5 mil millones de años luz de distancia. NASA, ESA y V. Acciari et al. 2019.

Este descubrimiento de gran importancia para el estudio del universo ha dado un vuelco al conocimiento actual de las radiaciones gamma ya que nunca antes se ha podido tener constancia de una fuente de este tipo de energía tan extraordinaria, demostrando que las explosiones GRB de las que proceden son más energéticas de lo que se creía.  Es posible que en otras detecciones no se haya registrado gran parte de la energía de los rayos gamma por no tener en cuenta parámetros importantes como que tipos de GRB analizar y el tiempo de detección para entender mejor estos acontecimientos astronómicos.

Lo que conocemos del origen de los rayos gamma

Una liberación súbita de radiaciones gamma se produce en dos etapas. En la primera se genera un intenso centelleo formado totalmente por rayos gamma que es seguido por un resplandor crepuscular que va decreciendo lentamente. El destello dura algo más de un minuto y procede de dos flujos de partículas procedentes de la parte externa de un agujero negro recién creado; la posterior radiación es originada por la onda expansiva de los dos chorros de partículas que han sido expulsados a una velocidad cercana a la de la luz golpeando el gas circundante. Este fenómeno puede persistir durante meses o incluso años.

Diagrama de las dos etapas tras la formación de un agujero negro y el fenómeno explosivo que libera muchas radiaciones, entre ellas, los rayos gamma. Inicialmente se forma una rápida emisión o chorro de rayos gamma, expulsadas por el agujero negro recién formado. Cuando este flujo de radiaciones impacta contra las partículas colindantes procedentes del mismo origen, se produce otro fenómeno mucho más duradero, una especie de resplandor que genera distintas radiaciones a lo largo de todo el espectro electromagnético. NASA´s Goddard Space Flight Center.

En la actualidad los observatorios astronómicos tienen la referencia de dos telescopios espaciales. Uno es Swift (con el Burst Alert Telescope a bordo)  y el telescopio espacial de rayos gamma Fermi- Los dos son capaces de captar las repentinas y breves señales de flashes procedentes de GRBs. A continuación se genera una alerta automática que permite a los observatorios de todo el mundo preparar sus equipos en tierra y en el espacio para estudiar la segunda señal, después de la primera ráfaga de rayos gamma, que dura más tiempo. HESS y MAGIC no solo detectaron diferentes GRBs además captaron distintas etapas del resplandor crepuscular. En el caso de HESS la observación de esta etapa duró unas dos horas, después de unas 10 horas del aviso de Swift y Fermi que localizaron la GRB cerca de la Constelación de Piscis. Fue tras el análisis de los datos recogidos cuando se descubrió la verdadero dimensión del fenómeno.

El observatorio de rayos gamma de MAGIC reaccionó con más rapidez a los avisos de Swift y Fermi en la noche del 14 de enero de 2019 de la señal procedente de GRB 190114c en la Constelación del Horno. MAGIC se orientó en menos de un minuto y pudo captar durante más tiempo las radiaciones pertenecientes a la segunda etapa de la explosión. Durante los primeros 20 minutos, MAGIC capturó los efectos sobre la atmósfera de una lluvia de miles de fotones con una energía muy alta que decreció rápidamente con el tiempo. Al mismo tiempo otros observatorios en tierra y en el espacio añadieron más datos registrados permitiendo completar con más exactitud la descripción de lo que había pasado.

HESS y MAGIC han revelado una nueva manera de medir con más exactitud las energías liberadas en este fenómeno físico que en principio parece proceder de la emisión de fotones que son liberados por electrones dando vueltas alrededor de campos magnéticos muy intensos. Sin embargo, para rayos gamma muy energéticos parece que existe otra explicación todavía desconocida. Según una teoría, estas emisiones altamente energéticas proceden de un proceso denominado Efecto Compton Inverso en el que los mismos electrones que producen fotones por girar en campos magnéticos chocan con ellos haciendo que adquieran estos fotones una energía superior a la que tienen normalmente. La evidencia esencial para comprobar este modelo predictivo se encuentra en la distribución de la energía de la segunda fase de emisión de radiaciones de las explosiones GRB con el signo revelador del pico doble, el primero correspondiente a la emisión sincotrónica y el otro producido por el impulso dado a los fotones generados. Hasta ahora este tipo de señales solo se habían observado en blazars, agujeros negros de una enorme cantidad de masa,, y se ha especulado con su existencia en las GRBs pero ninguna observación lo había podido constatar. MAGIC captó radiaciones de diferentes longitudes de onda procedentes de GRB 190114c que parecen ajustarse de manera muy precisa a ese pico doble. También HESS parece detectarlo pero de una manera más confusa.

 

Emisión procedente de una explosión de rayos gamma( GRBs). La energía de los GRBs son canalizadas por dos flujos estrechos. La emisión de fotones se produce en dos etapas: la fase rápida y la del resplandor posterior. En esta última, fotones de baja energía, que se cree que son formados por un mecanismo denominado radiación sincotrónica, son impulsados cuando chocan con electrones en un proceso denominado SSC (synchrotron self-Compton) adquiriendo una energía mucho mayor. En el diagrama b se puede ver la distribución energética del espectro de las radiaciones generadas en la fase del resplandor crepuscular. Por un lado, tenemos los fotones sincotrónicos y en el otro a los fotones SSC,de mayor energía, ambos en cada una de la joroba doble que caracteriza a este explosivo fenómeno. Nature.

Según ha declarado uno de los pioneros en crear un modelo físico para explicar la formación de los resplandores crepusculares de las GRBs, el astrofísico de la Universidad Hebrea en Jerusalén Tvsi Piran, “estas nuevas observaciones son la Piedra Rosetta de los GRBs que nos permitirán conocer sus condiciones con una certeza y exactitud sin precedentes y abrir una nueva ventana en el entendimiento de estos fenómenos físicos”.

Futuros avances en el conocimiento del universo

Estas nuevas observaciones son una muestra de lo que la nueva tecnología usada en la astrofísica como la Red Internacional del Telescopios Cherenkov y el Observatorio Chino de Rayos Cósmicos de Elevada Altitud que forman una nueva generación instrumental con la que ya se está recogiendo más datos y seguirá aportando más cuando nuevos RGBs  se manifiesten en el firmamento. También es necesario indicar que existen factores naturales que dificultan este tipo de grandes hallazgos. Los requisitos para ello exigen que la explosión sea brillante, para que se produzcan suficientes fotones de alta energía, y cercano para evitar que gran parte de estos fotones puedan ser atrapados por las radiaciones infrarrojas. Además, los observatorios necesitan unas condiciones de observación correctas sin interferencias de la luz solar, el tiempo o zonas del cielo fuera de su alcance.

Tras dos décadas de especulaciones teóricas se empiezan a demostrar con los datos empíricos los modelos predictivos.  Próximamente,  con nuevas observaciones de grandes explosiones de emisión de rayos gamma  más cercanas, estos detectores junto a los de neutrinos y de ondas gravitacionales, serán mejor observadas con unos detalles sin precedentes y quizás detecciones como las que han sido noticia se puedan hacer de manera rutinaria como ya ha pasado con otros tipos de hallazgos en astrofísica.

Para más información:

Nature.

Scientific American.

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