Fermi de la NASA detecta un interesante estallido de rayos gamma

El 26 de agosto de 2020, el telescopio espacial de rayos gamma de la NASA, Fermi, detectó un pulso de radiación de alta energía que ha estado viajando hacia la Tierra durante casi la mitad de la edad actual del universo. Con una duración de solo un segundo, ha resultado ser el estallido de rayos gamma (GRB) detectado más corto, causado por la muerte de una estrella masiva.

Los astrónomos han combinado datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, con los de otras misiones espaciales y observatorios terrestres para revelar el origen de GRB 200826A, una breve pero poderosa explosión de radiación. Es la ráfaga más corta que se sabe que está impulsada por una estrella que colapsa.
Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA.

Los GRB 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. Las ráfagas largas observadas están asociadas con la desaparición de estrellas masivas, mientras que las ráfagas cortas se relacionan con un escenario diferente.

“Ya sabíamos que algunos GRB de estrellas masivas podrían registrarse como GRB cortos, pero pensamos que esto se debía a limitaciones instrumentales”, dijo Bin-bin Zhang de la Universidad de Nanjing en China y la Universidad de Nevada, en Las Vegas. “Esta explosión es especial porque definitivamente es un GRB de corta duración, pero sus otras propiedades apuntan a que su origen reside el colapso de una estrella. Ahora sabemos que las estrellas moribundas también pueden producir ráfagas cortas”.

Nombrado GRB 200826A, en función de la fecha en que ocurrió, el estallido es el tema de dos artículos publicados en Nature Astronomy el lunes 26 de julio. El primero, dirigido por Zhang, explora los datos de rayos gamma. El segundo, dirigido por Tomás Ahumada, un estudiante de doctorado en la Universidad de Maryland, College Park y el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, describe el resplandor crepuscular de múltiples longitudes de onda del GRB y la siguiente luz emergente de la explosión de supernova.

Ahumada comentó: “Aun así, la explosión emitió 14 millones de veces la energía liberada por toda la Vía Láctea durante la misma cantidad de tiempo, lo que la convierte en una de las GRB de corta duración más enérgicas jamás vistas”.

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 escapan hacia afuera casi a la velocidad de la luz en direcciones opuestas. Los astrónomos solo pueden detectar 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. Después del estallido, la estrella afectada 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 acaban chocando. Las observaciones de Fermi ayudaron recientemente a mostrar que, en las galaxias cercanas, las llamaradas gigantes de estrellas de neutrones supermagnetizadas y aisladas, también parecen GRB cortos.

GRB 200826A fue una fuerte explosión de emisión de alta energía que duró solo 0,65 segundos. Después de viajar durante eones a través del universo en expansión, la señal se había extendido hasta aproximadamente un segundo 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 en 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 de la agencia, INTEGRAL, también observó la explosión.

Todas estas misiones participan en un sistema de localización de GRB llamado InterPlanetary Network (IPN), para el cual todos los fondos del proyecto Fermi los proporciona E.E.U.U. Debido a que la ráfaga llega a cada detector en momentos ligeramente diferentes, se puede usar cualquier par de ellos para ayudar a acotar 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 Transitoria Zwicky (ZTF) financiada por la Fundación Nacional de Ciencias en el Observatorio Palomar, el equipo escaneó el cielo en busca de cambios en la luz visible que pudieran estar relacionados con el desvanecimiento del resplandor crepuscular del GRB.

Imagen de descubrimiento del resplandor desvaneciéndose de GRB 200826A (centro).
Crédito: ZTF y T. Ahumada et al., 2021.

“Llevar a cabo esta búsqueda es similar a tratar de encontrar una aguja en un pajar, pero el IPN ayuda a empequeñecer el pajar”, ​​dijo Shreya Anand, estudiante de posgrado en Caltech y coautora del artículo afterglow. “De más de 28.000 alertas ZTF la primera noche, solo 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 de Neil Gehrels de la NASA, descubrió una emisión de rayos X que se desvanecía desde ese mismo lugar. Un par de días después, Karl Jansky Very Large Array, del Observatorio Nacional de Radioastronomía, detectó una emisión de radio variable 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 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 este breve estallido provenía de una estrella en colapso, los investigadores también necesitaban captar la supernova emergente.

“Si el estallido fue causado por el colapso de una estrella, una vez que el resplandor se desvanece, debería volver a brillar debido a la explosión de la supernova subyacente”, dijo 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 del resplandor de fondo de la supernova de su galaxia anfitriona”.

Para realizar la búsqueda, a Singer se le concedió tiempo del telescopio Gemini North de 8,1 metros en Hawái y el uso de un instrumento sensible llamado Gemini Multi-Object Spectrograph. 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 pudieron verse en las posteriores.

Los investigadores sospechan que esta explosión fue impulsada por chorros que emergieron de la estrella justo 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 fuera mucho más grande cuando comenzó su colapso, podría no haber sucedido un GRB.

El descubrimiento ayuda a resolver un enigma que viene tratando de resolverse desde hace mucho tiempo. Si bien los GRB largos deben acoplarse a las supernovas, los astrónomos detectan un número mucho mayor de supernovas que GRB largos. Esta discrepancia persiste incluso después de tener en cuenta el hecho de que los GRB deben proyectarse casi perfectamente en nuestra línea de visión, para que los astrónomos puedan detectarlos.

Los investigadores concluyen que las estrellas en colapso que producen GRB cortos deben ser casos aislados, cuyos chorros, a la velocidad de la luz, se tambalean al borde del éxito o el fracaso, una conclusión consistente en la idea de que la mayoría de las estrellas masivas mueren sin producir GRB. En términos más generales, este resultado demuestra claramente que la duración de una ráfaga por sí sola no indica de manera única su origen.

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas, administrada por el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. Fermi se desarrolló en colaboración con el Departamento de Energía de E.E.U.U., con importantes contribuciones de instituciones académicas y colaboradores en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y Estados Unidos.

Versión en inglés de esta noticia.

Edición: R. Castro.