El Telescopio Fermi de la NASA detecta una brote de rayos gamma “fugado” desde una supernova

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 sido emitido hacia la Tierra cuando el universo tenía casi la mitad de la edad actual. Con una duración de solo un segundo, resultó ser un récord: el brote de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) más corto causado por la muerte de una estrella masiva jamás vista.

Los GRBs son los eventos más potentes 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. Los brotes de rayos gamma largos se observan en asociación con la muerte de estrellas masivas, mientras que los estallidos cortos se han relacionado con un escenario diferente.

"Ya sabíamos que algunos GRBs de estrellas masivas podían registrarse como GRBs cortos, pero pensábamos que esto se debía a las limitaciones instrumentales", afirma Bin-bin Zhang, de la Universidad de Nanjing (China) y de la Universidad de Nevada (Las Vegas). "Este brote de rayos gamma es especial porque es definitivamente un GRB de corta duración, pero sus otras propiedades apuntan a su origen en una estrella en colapso. Ahora sabemos que las estrellas moribundas también pueden producir estallidos cortos".

Llamado GRB 200826A, por la fecha en que se produjo, el estallido es objeto de dos artículos publicados en Nature Astronomy el 26 de julio. El primero, dirigido por Zhang, explora los datos de rayos gamma. El segundo, dirigido por Tomás Ahumada, estudiante de doctorado de la Universidad de Maryland, College Park, y del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, en Greenbelt, Maryland, describe el desvanecimiento del resplandor del GRB en múltiples longitudes de onda y la luz emergente de la explosión de supernova que le siguió.

"Creemos que este evento fue en la práctica una suerte de fuga de rayos gamma, una que estuvo cerca de no ocurrir en absoluto", dijo Ahumada. "Aun así, el estallido emitió 14 millones de veces la energía liberada por toda la Vía Láctea en el mismo tiempo, lo que lo convierte en uno de los GRB 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 cae hacia el agujero negro, parte de ella escapa en forma de dos potentes chorros que se precipitan hacia el exterior casi a la velocidad de la luz en direcciones opuestas. Los astrónomos sólo detectan un GRB cuando uno de estos chorros apunta casi directamente hacia la Tierra.

Cada chorro perfora la estrella, produciendo un pulso de rayos gamma -la forma de luz de mayor energía- que puede durar hasta minutos. Tras el estallido, la estrella perturbada se expande rápidamente en forma de supernova.

Los GRBs cortos, en cambio, se forman cuando pares de objetos compactos -como las estrellas de neutrones, que también se forman durante el colapso estelar- entran en espiral durante miles de millones de años y colisionan. Recientemente, las observaciones de Fermi han contribuido a demostrar que, en galaxias cercanas, las llamaradas gigantes de estrellas de neutrones aisladas y supermagnetizadas también se disfrazan de GRBs cortos.

El GRB 200826A fue una breve explosión de emisión de alta energía que duró sólo 0,65 segundos. Tras viajar durante eones a través del universo en expansión, la señal se había alargado hasta durar un segundo cuando fue detectada por el Monitor de Brotes de Rayos Gamma de Fermi. El evento también apareció en los instrumentos a bordo de la misión Wind de la NASA, que orbita un punto entre la Tierra y el Sol situado a unos 1,5 millones de kilómetros (930.000 millas), y de Mars Odyssey, que orbita el planeta rojo desde 2001. El satélite INTEGRAL de la ESA (Agencia Espacial Europea) también observó la explosión.

Todas estas misiones participan en un sistema de localización de GRBs denominado Red Interplanetaria (IPN, por sus siglas en inglés), para la cual, el proyecto Fermi provee el financiamiento de los Estados Unidos. Dado que el estallido llega a cada detector en momentos ligeramente diferentes, cualquier par de ellos puede utilizarse para ayudar a acotar en qué lugar del cielo se produjo. Unas 17 horas después del GRB, la IPN redujo su localización a una zona relativamente pequeña del cielo en la constelación de Andrómeda.

Utilizando el Zwicky Transient Facility (ZTF) -financiada por la Fundación Nacional de Ciencia- del Observatorio Palomar, el equipo escaneó el cielo en busca de cambios en la luz visible que pudieran estar relacionados con el desvanecimiento del resplandor posterior a la explosión.

"Llevar a cabo esta búsqueda es como tratar de encontrar una aguja en un pajar, pero IPN ayudó a reducir el tamaño del pajar", dijo Shreya Anand, estudiante de posgrado en Caltech y coautora del artículo sobre el resplandor. "De las más de 28.000 alertas de ZTF durante la primera noche, solo una cumplía todos nuestros criterios de búsqueda y además aparecía dentro de la región del cielo definida por IPN".

Un día después del estallido, el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA descubrió una emisión de rayos X que se desvanecía en este mismo lugar. Un par de días después, el Karl Jansky Very Large Array, del Observatorio Nacional de Radioastronomía, detectó una emisión de radio variable en Nuevo México. El equipo comenzó entonces a observar el resplandor con diversas instalaciones terrestres.

Al observar la débil galaxia asociada al estallido mediante el Gran Telescopio Canarias, un telescopio de 10,4 metros situado en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma (Islas Canarias), el equipo demostró que su luz tardó 6.600 millones de años en llegar hasta nosotros. Esto supone el 48% de la edad actual del universo, que es de 13.800 millones de años.

Pero para demostrar que este breve estallido procedía de una estrella en colapso, los investigadores también necesitaban captar la supernova emergente.

"Si el estallido fue causado por una estrella en colapso, entonces una vez que el resplandor se desvanece, debería empezar a brillar de nuevo debido a la explosión de la supernova subyacente", dijo Leo Singer, un astrofísico de Goddard y guía de investigación de Ahumada. "Pero a estas distancias, se necesita un telescopio muy grande y muy sensible para distinguir la luz de la supernova del brillo de su galaxia anfitriona".

Para llevar a cabo la búsqueda, Singer dispuso de tiempo en el telescopio Gemini North -de 8,1 metros- en Hawái, y del uso de un instrumento sensible llamado Espectrógrafo Multiobjeto de Gemini (GMOS, por su sigla en inglés). Los astrónomos tomaron imágenes de la galaxia anfitriona en luz roja e infrarroja a partir de 28 días después del estallido, y repitieron la búsqueda 45 y 80 días después del evento. En la primera serie de observaciones detectaron una fuente en el infrarrojo cercano -la supernova- que no pudo verse en las posteriores.

Los investigadores sospechan que este estallido fue impulsado por chorros que apenas salieron 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 recorren distancias considerables desde ella. Si el agujero negro hubiera disparado chorros más débiles, o si la estrella fuera mucho más grande cuando comenzó su colapso, podría no haber habido ningún GRB.

El descubrimiento ayuda a resolver un viejo enigma. Aunque los GRBs largos deben estar acoplados a supernovas, los astrónomos detectan un número mucho mayor de supernovas que de GRBs largos. Esta discrepancia persiste incluso después de tener en cuenta que los chorros de los GRBs deben inclinarse casi hacia nuestra línea de visión para que los astrónomos los detecten.

Los investigadores concluyen que las estrellas en colapso que producen GRBs cortos deben ser casos marginales cuyos chorros a la velocidad de la luz se tambalean al borde del éxito y del fracaso, una conclusión consistente con la noción de que la mayoría de las estrellas masivas mueren sin producir chorros ni GRBs en absoluto. En términos más generales, este resultado demuestra claramente que la duración de un estallido no indica su origen por sí mismo.

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas gestionada por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Fermi fue desarrollado en colaboración con el Departamento de Energía de Estados Unidos, con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios de Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y Estados Unidos.

Por Francis Reddy

Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

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