Una nueva era en las misiones de rayos gamma de la NASA.

Las misiones Swift y Fermi de la NASA.

Las instalaciones terrestres han detectado radiación hasta un billón de veces la energía de la luz visible de una explosión cósmica llamada explosión de rayos gamma (GRB). Esta ilustración muestra la configuración para el tipo más común. El núcleo de una estrella masiva (izquierda) se ha derrumbado y formado un agujero negro. Este "motor" impulsa un chorro de partículas que se mueve a través de la estrella que se derrumba y sale al espacio a casi la velocidad de la luz. La emisión rápida, que generalmente dura un minuto o menos, puede surgir de la interacción del chorro con gas cerca del agujero negro recién nacido y de colisiones entre capas de gas de rápido movimiento dentro del chorro (ondas de choque internas). La emisión de resplandor posterior se produce cuando el borde de ataque del chorro barre sus alrededores (creando una onda de choque externa) y emite radiación a través del espectro durante algún tiempo, meses o años, en el caso de la radio y la luz visible, y muchas horas al las más altas energías de rayos gamma hasta ahora observadas. Estos superan con creces los 100 mil millones de electronvoltios (GeV) para dos GRB recientes. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.

Un par de explosiones distantes descubiertas por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA y el Observatorio Neil Gehrels Swift han producido la luz de más alta energía vista hasta ahora de estos eventos, llamados estallidos de rayos gamma (GRB). Las detecciones de récord, realizadas por dos observatorios terrestres diferentes, brindan nuevas ideas sobre los mecanismos que impulsan las explosiones de rayos gamma.

Los astrónomos reconocieron por primera vez el fenómeno GRB hace 46 años. Las explosiones aparecen en ubicaciones aleatorias en el cielo aproximadamente una vez al día, en promedio.

El tipo más común de GRB ocurre cuando una estrella mucho más masiva que el Sol se queda sin combustible. Su núcleo se derrumba y forma un agujero negro, que luego expulsa chorros de partículas hacia afuera a casi la velocidad de la luz. Estos chorros perforan la estrella y continúan en el espacio. Producen un pulso inicial de rayos gamma, la forma de luz más energética, que generalmente dura aproximadamente un minuto.

A medida que los chorros corren hacia afuera, interactúan con el gas circundante y emiten luz a través del espectro, desde la radio hasta los rayos gamma. Estos llamados resplandores posteriores se pueden detectar hasta meses, y rara vez, incluso años, después del estallido en longitudes de onda más largas.

"Gran parte de lo que hemos aprendido sobre los GRB en las últimas dos décadas proviene de observar sus resplandores a energías más bajas", dijo Elizabeth Hays, científica del proyecto Fermi en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Ahora, gracias a estas nuevas detecciones terrestres, estamos viendo los rayos gamma de las explosiones de rayos gamma de una manera completamente nueva".

Dos artículos publicados en la revista Nature describen cada uno de los descubrimientos. Un tercer artículo analiza una de las explosiones utilizando un amplio conjunto de datos de múltiples longitudes de onda de observatorios en el espacio y en el suelo, enlace artículo. Un cuarto artículo, aceptado por The Astrophysical Journal, explora los datos de Fermi y Swift con mayor detalle, enlace artículo.

El 14 de enero de 2019, justo antes de las 4 p.m. EST, los satélites Fermi y Swift detectaron un pico de rayos gamma de la constelación de Fornax. Las misiones alertaron a la comunidad astronómica sobre la ubicación de la explosión, denominada GRB 190114C.

Una instalación que recibió las alertas fue el observatorio de Atmosférica Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC), ubicado en La Palma en las Islas Canarias, España. Sus dos telescopios de 17 metros giraron automáticamente al sitio de la explosión que se desvanece. Comenzaron a observar el GRB solo 50 segundos después de que se descubrió y capturó los rayos gamma más enérgicos que se han visto hasta ahora de estos eventos.

La energía de la luz visible varía de aproximadamente 2 a 3 electronvoltios. En 2013, el Telescopio de área grande (LAT) de Fermi detectó que la luz alcanzaba una energía de 95 mil millones de electronvoltios (GeV), la más alta vista desde una explosión. Esto cae apenas por debajo de 100 GeV, el umbral para los llamados rayos gamma de muy alta energía (VHE). Con GRB 190114C, MAGIC se convirtió en la primera instalación en informar una emisión de VHE inequívoca, con energías de hasta un billón de electronvoltios (1 TeV). Eso es 10 veces la energía máxima que Fermi ha visto hasta la fecha.

"Hace veinte años, diseñamos MAGIC específicamente para buscar emisiones de VHE de los GRB, por lo que este es un gran éxito para nuestro equipo", dijo el coautor Razmik Mirzoyan, científico del Instituto Max Planck de Física en Munich y el portavoz de La colaboración mágica. “El descubrimiento de los rayos gamma TeV de GRB 190114C muestra que estas explosiones son aún más poderosas de lo que se pensaba antes. Más importante aún, nuestra detección facilitó una extensa campaña de seguimiento que involucró a más de dos docenas de observatorios, ofreciendo pistas importantes sobre los procesos físicos en el trabajo en GRB ".

El 14 de enero de 2019, el observatorio Cherenkov de Imágenes Gamma Atmosféricas Principales (MAGIC) en las Islas Canarias capturó la luz de mayor energía registrada en un estallido de rayos gamma. MAGIC comenzó a observar el estallido de desvanecimiento solo 50 segundos después de que se detectó gracias a las posiciones proporcionadas por las naves espaciales Fermi y Swift de la NASA (arriba a la izquierda y derecha, respectivamente, en esta ilustración). Los rayos gamma acumulan energía hasta 10 veces mayor que la vista anteriormente. Créditos: NASA / Fermi y Aurore Simonnet, Sonoma State University

Estos incluyeron la misión NuSTAR de la NASA, el satélite de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA, además de Fermi y Swift, junto con muchos observatorios terrestres. Las imágenes del Hubble adquiridas en febrero y marzo capturaron el resplandor óptico de la explosión. Muestran que la explosión se originó en una galaxia espiral a unos 4.500 millones de años luz de distancia. Esto significa que la luz de este GRB comenzó a viajar hacia nosotros cuando el universo tenía dos tercios de su edad actual.

Otro artículo presenta observaciones de una explosión diferente, que tanto Fermi como Swift descubrieron el 20 de julio de 2018. Diez horas después de sus alertas, el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS) señaló su gran telescopio de rayos gamma de 28 metros a la ubicación de la explosión, llamada GRB 180720B. Un análisis cuidadoso realizado durante las semanas posteriores al evento reveló que H.E.S.S. claramente detectó rayos gamma VHE dos con energías de hasta 440 GeV. Aún más notable, el brillo continuó durante dos horas después del comienzo de la observación. Capturar esta emisión tanto tiempo después de la detección del GRB es tanto una sorpresa como un nuevo descubrimiento importante.

Los científicos sospechan que la mayoría de los rayos gamma de las luces posteriores de GRB se originan en campos magnéticos en el borde de ataque del avión. Los electrones de alta energía en espiral en los campos emiten directamente rayos gamma a través de un mecanismo llamado emisión de sincrotrón.

Pero tanto el H.E.S.S. y los equipos de MAGIC interpretan la emisión de VHE como un componente distinto de resplandor posterior, lo que significa que debe estar funcionando algún proceso adicional. El mejor candidato, dicen, es la dispersión inversa de Compton. Los electrones de alta energía en el jet chocan contra los rayos gamma de baja energía y los impulsan a energías mucho más altas.

En el documento que detalla las observaciones de Fermi y Swift, los investigadores concluyen que un mecanismo físico adicional puede ser necesario para producir la emisión de VHE. Sin embargo, dentro de las energías más bajas observadas por estas misiones, la inundación de rayos gamma sincrotrón hace que descubrir un segundo proceso sea mucho más difícil.

"Con Fermi y Swift, no vemos evidencia directa de un segundo componente de emisión", dijo S. Bradley Cenko de Goddard, el investigador principal de Swift y coautor de los documentos Fermi-Swift y de longitud de onda múltiple. "Sin embargo, si la emisión de VHE surge solo del proceso sincrotrón, entonces los supuestos fundamentales utilizados para estimar el pico de energía producida por este mecanismo deberán revisarse".

Se necesitarán futuras observaciones de ráfagas para aclarar la imagen física. Los nuevos datos de VHE abren una nueva vía para comprender los GRB, una que se extenderá aún más por MAGIC, H.E.S.S. y una nueva generación de telescopios de rayos gamma terrestres que ahora se están planificando.

El resplandor desvanecimiento de GRB 190114C y su galaxia natal fueron fotografiados por el telescopio espacial Hubble el 11 de febrero y el 12 de marzo de 2019. La diferencia entre estas imágenes revela un brillo tenue y de corta duración (centro del círculo verde) ubicado alrededor de 800 A años luz del núcleo de la galaxia. Los colores azules más allá del núcleo señalan la presencia de estrellas jóvenes y calientes, lo que indica que esta es una galaxia espiral algo similar a la nuestra. Se encuentra a unos 4.500 millones de años luz de distancia en la constelación de Fornax. Créditos: NASA, ESA y V. Acciari et al. 2019.

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas administrada por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Fermi se desarrolló en colaboración con el Departamento de Energía de EE. UU., Con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y los Estados Unidos.

Goddard gestiona la misión Swift en colaboración con Penn State en University Park, el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México y Northrop Grumman Innovation Systems en Dulles, Virginia. Otros socios incluyen la Universidad de Leicester y el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard en el Reino Unido, el Observatorio Brera y la Agencia Espacial Italiana en Italia.

Por Francis Reddy

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

Última actualización: 20 de noviembre de 2019, enlace publicación.

Editor: Rob Garner