Explosión cósmica excepcional desafía la teoría establecida sobre las explosiones de rayos gamma

Por LU XIAO
12 de Junio de 2021
Actualizado: 12 de Junio de 2021

Científicos obtuvieron la mejor vista hasta ahora del tipo más poderoso de una explosión cósmica, que esta vez ocurrió en nuestro “patio trasero” cosmológico.

Utilizando el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (H.E.S.S.), el equipo de investigación registró la radiación más energética y el resplandor de rayos gamma más largo de una explosión de rayos gamma (GRB) jamás observada. Los resultados desafiaron la teoría establecida sobre los GRBs.

“Los estallidos de rayos gamma son destellos brillantes de rayos X y gamma observados en el cielo, emitidos por fuentes extragalácticas distantes”, dijo en un comunicado Sylvia Zhu, científica del DESY, una de las autoras del trabajo.

“Se trata de las mayores explosiones del universo y están asociadas al colapso de una estrella masiva en rotación rápida hasta convertirse en un agujero negro”, añadió. “Una fracción de la energía gravitacional liberada alimenta la producción de una onda expansiva ultrarelativista. Su emisión se divide en dos fases distintas: una fase inicial caótica y rápida que dura decenas de segundos, seguida de una fase posterior de larga duración y de suave desvanecimiento”.

Este GRB se registró por primera vez el 29 de agosto de 2019, cuando los telescopios espaciales Fermi y Swift detectaron una ráfaga de rayos gamma desde la dirección de la constelación de Eridanus, según el comunicado.

El evento, denominado GRB 190829A, resultó ser uno de los GRB más cercanos observados hasta ahora. Se encontraba a solo mil millones de años luz de la Tierra, mientras que otros GRBs suelen estar a unos 20 mil millones de años luz.

“Estábamos realmente sentados en primera fila cuando se produjo este estallido de rayos gamma”, dijo el coautor Andrew Taylor, del DESY, en el comunicado.

El equipo de investigación observó inmediatamente la fuente cuando se hizo visible en los telescopios del H.E.S.S.

“Pudimos observar el resplandor durante varios días y a energías de rayos gamma sin precedentes”, añadió Taylor.

La corta distancia a este GRB permitió realizar observaciones detalladas del espectro del resplandor en el rango de muy alta energía. El equipo pudo seguir el resplandor hasta tres días después de la explosión.

“Pudimos determinar el espectro del GRB 190829A hasta una energía de 3.3 tera-electronvoltios, es decir, un billón de veces más energético que los fotones de la luz visible”, dijo en el comunicado la coautora Edna Ruiz-Velasco, del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg. “Esto es lo excepcional de este estallido de rayos gamma —ocurrió en nuestro patio trasero cósmico, donde los fotones de muy alta energía no fueron absorbidos en colisiones con la luz de fondo en su camino hacia la Tierra, como ocurre a mayores distancias en el cosmos”.

Las teorías establecidas sobre los GRBs suelen coincidir en que la emisión de rayos X se origina de la emisión sincrotrónica de electrones ultrarrelativistas en los fuertes campos magnéticos del GRB.

Sin embargo, es muy poco probable que este mecanismo produzca directamente los rayos gamma de muy alta energía observados, incluso en las explosiones más potentes, según el comunicado. Esto se debe a un “límite de quemado” que viene determinado por el equilibrio entre la aceleración y el enfriamiento de las partículas dentro de la fuente.

Para producir rayos gamma de muy alta energía a través de la radiación de sincrotrón sería necesario que los electrones tuvieran energías superiores al límite de quemado. En cambio, las teorías actuales sugieren que los rayos gamma de muy alta energía se producen por auto-compton sincrotrón, un proceso en el que los electrones rápidos colisionan con los fotones sincrotrón y los elevan a energías de rayos gamma.

Sin embargo, las observaciones del resplandor posterior del GRB 190829A ahora muestran que tanto los rayos X como los rayos gamma se desvanecieron en sincronía, y el espectro de rayos gamma coincidió con una extrapolación del espectro de rayos X. El comunicado explica que esto pone en duda el origen sincrotrón de la emisión de rayos gamma de muy alta energía.

“Nuestras observaciones han revelado curiosas similitudes entre la emisión de rayos X y la de rayos gamma de muy alta energía del resplandor de la explosión”, añadió Zhu.

Por lo tanto, los nuevos resultados indican claramente que los rayos X y los rayos gamma de muy alta energía en este evento de resplandor posterior fueron creados por el mismo mecanismo, según el comunicado.

“Resulta bastante inesperado observar características espectrales y temporales tan similares en las bandas de energía de los rayos X y de los rayos gamma de muy alta energía, si la emisión en estos dos rangos de energía tuviera orígenes diferentes”, dijo en el comunicado el coautor Dmitry Khangulyan, de la Universidad Rikkyo de Tokio.

Los resultados sugieren que es necesario seguir estudiando la emisión de resplandor de los GRB de muy alta energía, según el comunicado. Las primeras detecciones de GRBs con energías muy altas ocurrieron mucho más lejos en el universo; su resplandor posterior solo pudo observarse durante unas horas, y no hasta energías superiores a 1 tera-electronvoltios.

“Mirando hacia el futuro, las perspectivas de detección de estallidos de rayos gamma mediante instrumentos de nueva generación como el Cherenkov Telescope Array que se está construyendo actualmente en los Andes chilenos y en la isla canaria de La Palma parecen prometedoras”, dijo en el comunicado el portavoz del H.E.S.S., Stefan Wagner, del Landessternwarte Heidelberg. “La abundancia general de explosiones de rayos gamma nos lleva a esperar que las detecciones regulares en la banda de muy alta energía se conviertan en algo bastante común, ayudándonos a entender completamente su física”.

La nueva investigación se publicó en un artículo en la revista Science.


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