El 26 de agosto de 2020, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA detectó un pulso de radiación de alta energía que había estado dirigiéndose hacia la Tierra durante casi la mitad de la edad actual del universo. Con una duración de sólo un segundo, resultó ser un estallido de récord: el estallido de rayos gamma (GRB) más corto causado por la muerte de una estrella masiva jamás visto.
Los estallidos de rayos gamma son los eventos más poderosos del universo, detectables a través de miles de millones de años luz. Los astrónomos los clasifican como largos o cortos en función de si el evento dura más o menos de dos segundos. Observan ráfagas largas en asociación con la desaparición de estrellas masivas, mientras que las ráfagas cortas se han relacionado con un escenario diferente.
«Ya sabíamos que algunos GRB de estrellas masivas podrían registrarse como estallidos de rayos gamma cortos, pero pensamos que esto se debía a limitaciones instrumentales«, comenta Bin-bin Zhang de la Universidad de Nanjing en China y la Universidad de Nevada, Las Vegas. «Este estallido es especial porque definitivamente es un estallido de rayos gamma de corta duración, pero sus otras propiedades apuntan a su origen en una estrella que colapsa. Ahora sabemos que las estrellas moribundas también pueden producir estallidos cortos«.
Este estallido de rayos gamma fue una fuerte explosión de emisión de alta energía que duró sólo 0,65 segundos y emitió 14 millones de veces la energía desatada por toda la Vía Láctea durante ese tiempo
Nombrado GRB 200826A, después de la fecha en que se detectó, el estallido es el tema de dos artículos publicados ahora en Nature Astronomy (enlaces más abajo). El primero, dirigido por Zhang, explora los datos de rayos gamma. El segundo, dirigido por Tomás Ahumada, estudiante de doctorado en la Universidad de Maryland, College Park y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, describe el resplandor de múltiples longitudes de onda del estallido de rayos gamma y la luz emergente de la explosión de supernova que siguió.
«Creemos que este evento fue efectivamente algo efervescente, que estuvo cerca de no suceder en absoluto«, según Ahumada. «Aun así, la explosión emitió 14 millones de veces la energía liberada por toda la Vía Láctea durante el mismo período de tiempo, lo que la convierte en uno de los estallidos de rayos gamma de corta duración más energéticos jamás vistos«.
Cuando una estrella mucho más masiva que el Sol se queda sin combustible, su núcleo colapsa repentinamente y forma un agujero negro. A medida que la materia gira hacia el agujero negro, parte de ella se escapa en forma de dos poderosos chorros que se precipitan hacia afuera casi a la velocidad de la luz en direcciones opuestas. Los astrónomos sólo detectan un estallido de rayos gamma cuando uno de estos chorros apunta casi directamente hacia la Tierra.
Cada chorro perfora la estrella y produce un pulso de rayos gamma, la forma de luz de mayor energía, que puede durar hasta minutos. Después del estallido, la estrella colapsada se expande rápidamente como una supernova
Los GRB cortos, por otro lado, se forman cuando pares de objetos compactos, como las estrellas de neutrones, que también se forman durante el colapso estelar, giran hacia adentro durante miles de millones de años y chocan. Las observaciones de Fermi ayudaron recientemente a mostrar que, en las galaxias cercanas, las llamaradas gigantes de estrellas de neutrones supermagnetizadas y aisladas también se hacen pasar por estallidos de rayos gamma cortos.
GRB 200826A fue una fuerte explosión de emisión de alta energía que duró sólo 0,65 segundos. Después de viajar durante eones a través del universo en expansión, la señal se había extendido hasta aproximadamente un segundo de duración cuando fue detectada por el monitor de ráfagas de rayos gamma de Fermi. El evento también apareció en instrumentos a bordo de la misión Wind de la NASA, que orbita un punto entre la Tierra y el Sol ubicado a aproximadamente 1,5 millones de kilómetros de distancia, y Mars Odyssey, que ha estado orbitando el Planeta Rojo desde 2001. El satélite INTEGRAL de la agencia también observó la explosión.
Todas estas misiones participan en un sistema de localización de GRB llamado InterPlanetary Network (IPN), para el cual el proyecto Fermi proporciona todos los fondos estadounidenses. Debido a que la ráfaga llega a cada detector en momentos ligeramente diferentes, se puede usar cualquier par de ellos para ayudar a reducir el lugar del cielo en el que ocurrió. Aproximadamente 17 horas después del GRB, el IPN redujo su ubicación a un parche relativamente pequeño del cielo en la constelación de Andrómeda.
Utilizando la instalación Zwicky Transient Facility (ZTF) financiada por la National Science Foundation estadounidense en el Observatorio Palomar, el equipo escaneó el cielo en busca de cambios en la luz visible que podrían estar relacionados con el desvanecimiento del resplandor crepuscular del estallido de rayos gamma.
«Llevar a cabo esta búsqueda es similar a tratar de encontrar una aguja en un pajar, pero el IPN ayuda a encoger el pajar«, asegura Shreya Anand, estudiante graduada de Caltech y coautora del artículo sobre el resplandor. «De más de 28.000 alertas ZTF de la primera noche, sólo una cumplió con todos nuestros criterios de búsqueda y también apareció dentro de la región del cielo definida por el IPN«.
Un día después de la explosión, el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA descubrió una emisión de rayos X que se desvanecía desde este mismo lugar. Un par de días después, se detectó una emisión de radio variable desde el Karl Jansky Very Large Array del Observatorio Nacional de Radioastronomía en Nuevo México. Luego, el equipo comenzó a observar el resplandor con una variedad de instalaciones terrestres.
Observando la débil galaxia asociada con el estallido utilizando el Gran Telescopio de Canarias, un telescopio de 10,4 metros en el Observatorio Roque de los Muchachos en La Palma en las Islas Canarias de España, el equipo demostró que su luz tarda 6.600 millones de años en llegar a nosotros. Eso es el 48% de la edad actual del universo, de 13,8 mil millones de años.
Pero para demostrar que esta breve explosión provenía de una estrella en colapso, los investigadores también necesitaban capturar la supernova emergente
«Si el estallido fue causado por el colapso de una estrella, una vez que el resplandor se desvanezca, debería volver a brillar debido a la explosión de supernova subyacente«, afirma Leo Singer, astrofísico de Goddard y asesor de investigación de Ahumada. «Pero a estas distancias, se necesita un telescopio muy grande y muy sensible para captar el punto de luz de la supernova del resplandor de fondo de su galaxia anfitriona«.
Para realizar la búsqueda, a Singer se le concedió tiempo en el telescopio Gemini North de 8,1 metros en Hawái y el uso de un instrumento sensible llamado espectrógrafo multiobjeto Gemini. Los astrónomos tomaron imágenes de la galaxia anfitriona en luz roja e infrarroja comenzando 28 días después del estallido, repitiendo la búsqueda 45 y 80 días después del evento. Detectaron una fuente en el infrarrojo cercano, la supernova, en el primer conjunto de observaciones que no se pudo ver en las posteriores.
Los investigadores sospechan que esta explosión fue impulsada por chorros que apenas emergieron de la estrella antes de apagarse, en lugar del caso más típico en el que los chorros de larga duración salen de la estrella y viajan distancias considerables desde ella. Si el agujero negro hubiera disparado chorros más débiles, o si la estrella era mucho más grande cuando comenzó su colapso, podría no haber habido un estallido de rayos gamma en absoluto.
El descubrimiento ayuda a resolver un enigma vigente largo tiempo
Si bien los GRB largos deben acoplarse a las supernovas, los astrónomos detectan un número mucho mayor de supernovas que los GRB largos. Esta discrepancia persiste incluso después de tener en cuenta el hecho de que los chorros de los estallidos de rayos gamma deben inclinarse casi en nuestra línea de visión para que los astrónomos los detecten.
Los investigadores concluyen que las estrellas en colapso que producen GRB cortos deben ser casos marginales cuyos chorros a la velocidad de la luz se tambalean al borde del éxito o el fracaso, una conclusión consistente con la idea de que la mayoría de las estrellas masivas mueren sin producir chorros ni estallidos de rayos gamma en absoluto. En términos más generales, este resultado demuestra claramente que la duración de una ráfaga por sí sola no indica de manera única su origen.
Fuentes:
Nature Astronomy (B.-B. Zhang et al).
Nature Astronomy (Tomás Ahumada et al).
