Las misiones de la NASA desenmascaran erupciones de magnetar en galaxias cercanas.
El 15 de abril de 2020, un breve estallido de luz de alta energía barrió el sistema solar, activando instrumentos en varias naves espaciales europeas y de la NASA. Ahora, varios equipos científicos internacionales concluyen que la explosión provino de un remanente estelar supermagnetizado conocido como magnetar ubicado en una galaxia vecina.
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| La llamarada gigante, catalogada como GRB 200415A, alcanzó detectores en diferentes naves espaciales de la NASA en diferentes momentos. Cada par de instrumentos estableció su posible ubicación en diferentes franjas del cielo, pero las bandas se cruzan en la parte central de la brillante galaxia espiral NGC 253. Esta es la posición más precisa hasta ahora establecida para un magnetar ubicado mucho más allá de nuestra galaxia. Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA y Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universidad de Arizona. |
Este hallazgo confirma las sospechas de que algunos estallidos de rayos gamma (GRB), erupciones cósmicas detectadas en el cielo casi a diario, son de hecho poderosas llamaradas de magnetares relativamente cerca de casa.
"Esto siempre se ha considerado una posibilidad, y varios GRB observados desde 2005 han proporcionado pruebas tentadoras", dijo Kevin Hurley, investigador espacial sénior del Laboratorio de Ciencias Espaciales de la Universidad de California, Berkeley, que se unió a varios científicos para discutir la estalló en la 237ª reunión virtual de la Sociedad Astronómica Estadounidense. "El evento del 15 de abril cambió las reglas del juego porque descubrimos que la explosión casi con certeza se encuentra dentro del disco de la galaxia cercana NGC 253".
Los artículos que analizan diferentes aspectos del evento y sus implicaciones se publicaron el 13 de enero en las revistas Nature y Nature Astronomy.
Los GRB, las explosiones más poderosas del cosmos, se pueden detectar en miles de millones de años luz. Aquellos que duran menos de dos segundos, llamados GRB cortos, ocurren cuando un par de estrellas de neutrones en órbita, ambos restos aplastados de estrellas explotadas, se juntan en espiral y se fusionan. Los astrónomos confirmaron este escenario para al menos algunos GRB cortos en 2017, cuando una explosión siguió a la llegada de ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo, producidas cuando las estrellas de neutrones se fusionaron a 130 millones de años luz de distancia.
Los magnetares son estrellas de neutrones con los campos magnéticos más fuertes conocidos, con hasta mil veces la intensidad de las estrellas de neutrones típicas y hasta 10 billones de veces la fuerza de un imán de refrigerador. Las alteraciones modestas del campo magnético pueden hacer que los magnetares hagan erupción con explosiones esporádicas de rayos X durante semanas o más.
En raras ocasiones, los magnetares producen enormes erupciones llamadas llamaradas gigantes que producen rayos gamma, la forma de luz de mayor energía.
La mayoría de los 29 magnetares ahora catalogados en nuestra galaxia, la Vía Láctea, exhiben ocasionalmente actividad de rayos X, pero solo dos han producido llamaradas gigantes. El evento más reciente, detectado el 27 de diciembre de 2004, produjo cambios mensurables en la atmósfera superior de la Tierra a pesar de la erupción de una magnetar ubicada a unos 28.000 años luz de distancia.
Capturado.
Poco antes de las 4:42 am EDT del 15 de abril de 2020, una breve y poderosa ráfaga de rayos X y rayos gamma pasó por Marte, lo que provocó el detector ruso de neutrones de alta energía a bordo de la nave espacial Mars Odyssey de la NASA, que ha estado orbitando el Planeta Rojo desde entonces. 2001. Aproximadamente 6,6 minutos más tarde, la explosión activó el instrumento ruso Konus a bordo del satélite Wind de la NASA, que orbita un punto entre la Tierra y el Sol situado a unos 1,5 millones de kilómetros de distancia. Después de otros 4.5 segundos, la radiación pasó por la Tierra, activando instrumentos en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, así como en el satélite INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea y el Monitor de Interacciones Atmosfera-Espacio (ASIM) a bordo de la Estación Espacial Internacional.
Un pulso de rayos X y rayos gamma que duró solo 140 milisegundos barrió el sistema solar el 15 de abril de 2020. El evento fue una llamarada gigante de una magnetar, un tipo de remanente estelar del tamaño de una ciudad que cuenta con los campos magnéticos más fuertes conocidos. Mire para obtener más información. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.La erupción ocurrió más allá del campo de visión del Telescopio Burst Alert (BAT) en el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA, por lo que su computadora a bordo no alertó a los astrónomos en tierra. Sin embargo, gracias a una nueva capacidad llamada Archivador urgente de rayos gamma para nuevas oportunidades (GUANO), el equipo de Swift puede transmitir datos BAT cuando otros satélites se disparan en una ráfaga. El análisis de estos datos proporcionó información adicional sobre el evento.
El pulso de radiación duró solo 140 milisegundos, tan rápido como un abrir y cerrar de ojos o un chasquido de dedo.
Las misiones Fermi, Swift, Wind, Mars Odyssey e INTEGRAL participan en un sistema de localización GRB llamado InterPlanetary Network (IPN). Ahora financiado por el proyecto Fermi, el IPN ha operado desde finales de la década de 1970 utilizando diferentes naves espaciales ubicadas en todo el sistema solar. Debido a que la señal llegó a cada detector en diferentes momentos, cualquier par de ellos puede ayudar a reducir la ubicación de una ráfaga en el cielo. Cuanto mayores sean las distancias entre las naves espaciales, mejor será la precisión de la técnica.
El IPN colocó el estallido del 15 de abril, llamado GRB 200415A, directamente en la región central de NGC 253, una galaxia espiral brillante ubicada a unos 11,4 millones de años luz de distancia en la constelación Sculptor. Esta es la posición del cielo más precisa hasta ahora determinada para una magnetar ubicada más allá de la Gran Nube de Magallanes, un satélite de nuestra galaxia y anfitrión de una llamarada gigante en 1979, la primera detectada.
Las llamaradas gigantes de los magnetares en la Vía Láctea y sus satélites evolucionan de una manera distinta, con un rápido aumento al brillo máximo seguido de una cola más gradual de emisión fluctuante. Estas variaciones son el resultado de la rotación de la magnetar, que hace que la ubicación de la llamarada aparezca y desaparezca de la vista desde la Tierra, como un faro.
Observar esta cola fluctuante es una evidencia concluyente de una llamarada gigante. Sin embargo, vista desde millones de años luz de distancia, esta emisión es demasiado tenue para detectarla con los instrumentos actuales. Debido a que faltan estas firmas, las llamaradas gigantes en nuestro vecindario galáctico pueden disfrazarse como GRB de tipo fusión mucho más distantes y poderosos.
Un análisis detallado de los datos del Gamma-ray Burst Monitor (GBM) de Fermi y el BAT de Swift proporciona una fuerte evidencia de que el evento del 15 de abril fue diferente a cualquier explosión asociada con fusiones, señaló Oliver Roberts, científico asociado del Instituto de Ciencia y Tecnología de la Asociación de Investigación Espacial de Universidades. en Huntsville, Alabama, quien dirigió el estudio.
En particular, este fue el primer destello gigante conocido desde el lanzamiento de Fermi en 2008, y la capacidad del GBM para resolver cambios en escalas de tiempo de microsegundos resultó ser fundamental. Las observaciones revelan múltiples pulsos, y el primero aparece en solo 77 microsegundos, aproximadamente 13 veces la velocidad del flash de una cámara y casi 100 veces más rápido que el aumento de los GRB más rápidos producidos por las fusiones. El GBM también detectó variaciones rápidas de energía durante el transcurso de la llamarada que nunca antes se habían observado.
“Las llamaradas gigantes dentro de nuestra galaxia son tan brillantes que abruman nuestros instrumentos, dejándolos aferrados a sus secretos”, dijo Roberts. "Por primera vez, GRB 200415A y llamaradas distantes como esta permiten que nuestros instrumentos capturen cada característica y exploren estas poderosas erupciones en una profundidad sin igual".
Las llamaradas gigantes son poco conocidas, pero los astrónomos creen que son el resultado de una reordenación repentina del campo magnético. Una posibilidad es que el campo muy por encima de la superficie de la magnetar pueda volverse demasiado retorcido, liberando energía repentinamente a medida que se asienta en una configuración más estable. Alternativamente, una falla mecánica de la corteza de la magnetar, un terremoto, puede desencadenar una reconfiguración repentina.
Los astrónomos explican las observaciones de GRB 200415A con la secuencia de eventos ilustrada aquí. Una repentina reconfiguración del campo magnético de la magnetar produjo un rápido y poderoso pulso de rayos X y rayos gamma. El evento también expulsó una gota de materia, que siguió al pulso viajando a aproximadamente el 99% de la velocidad de la luz. Después de unos días, ambos alcanzaron el límite, llamado arco de choque, donde una salida constante del magnetar provoca una acumulación de gas interestelar. La luz de la llamarada pasó, seguida muchos segundos después por la nube expulsada. La materia en rápido movimiento interactuó con el gas en el arco de choque, creando ondas de choque que aceleraron las partículas y produjeron rayos gamma de alta energía. Esto explica el retraso en la llegada de los rayos gamma más energéticos detectados por la nave espacial Fermi de la NASA. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR)Roberts y sus colegas dicen que los datos muestran alguna evidencia de vibraciones sísmicas durante la erupción. Los rayos X de mayor energía registrados por el GBM de Fermi alcanzaron los 3 millones de electronvoltios (MeV), o aproximadamente un millón de veces la energía de la luz azul, un récord en sí mismo para las llamaradas gigantes. Los investigadores dicen que esta emisión surgió de una nube de electrones y positrones expulsados que se mueven a aproximadamente el 99% de la velocidad de la luz. La corta duración de la emisión y su brillo y energía cambiantes reflejan la rotación de la magnetar, subiendo y bajando como los faros de un automóvil girando. Roberts lo describe comenzando como una mancha opaca, lo imagina como un torpedo de fotones de la franquicia "Star Trek", que se expande y difunde a medida que viaja.
El torpedo también influye en una de las mayores sorpresas del evento. El instrumento principal de Fermi, el Telescopio de Área Grande (LAT), también detectó tres rayos gamma, con energías de 480 MeV, 1.300 millones de electronvoltios (GeV) y 1.7 GeV, la luz de mayor energía jamás detectada por una llamarada gigante magnetar. Lo sorprendente es que todos estos rayos gamma aparecieron mucho después de que la llamarada hubiera disminuido en otros instrumentos.
Nicola Omodei, investigadora científica senior de la Universidad de Stanford en California, dirigió el equipo LAT que investigaba estos rayos gamma, que llegaron entre 19 segundos y 4,7 minutos después del evento principal. Los científicos concluyen que esta señal probablemente provenga de la llamarada magnetar. “Para que el LAT detecte un GRB corto aleatorio en la misma región del cielo y casi al mismo tiempo que el destello, tendríamos que esperar, en promedio, al menos 6 millones de años”, explicó.
Una magnetar produce un flujo constante de partículas que se mueven rápidamente. A medida que se mueve por el espacio, este flujo de salida penetra, ralentiza y desvía el gas interestelar. El gas se acumula, se calienta y se comprime y forma un tipo de onda de choque llamada arco de choque.
En el modelo propuesto por el equipo de LAT, el pulso inicial de rayos gamma de la llamarada viaja hacia afuera a la velocidad de la luz, seguido por la nube de materia expulsada, que se mueve casi con la misma rapidez. Después de varios días, ambos llegan al arco de choque. Los rayos gamma lo atraviesan. Segundos más tarde, la nube de partículas, ahora expandida en una vasta y delgada capa, choca con el gas acumulado en el arco de choque. Esta interacción crea ondas de choque que aceleran las partículas, produciendo los rayos gamma de mayor energía después del estallido principal.
La erupción del 15 de abril prueba que estos eventos constituyen su propia clase de GRB. Eric Burns, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad Estatal de Luisiana en Baton Rouge, dirigió un estudio que investiga a sospechosos adicionales utilizando datos de numerosas misiones. Los hallazgos aparecerán en The Astrophysical Journal Letters. Ya se había sugerido que las explosiones cerca de la galaxia M81 en 2005 y la galaxia de Andrómeda (M31) en 2007 eran llamaradas gigantes, y el equipo también identificó una llamarada en M83, también vista en 2007 pero recientemente informada. Agregue a estos la llamarada gigante de 1979 y las observadas en nuestra Vía Láctea en 1998 y 2004.
"Es una muestra pequeña, pero ahora tenemos una mejor idea de sus verdaderas energías y hasta dónde podemos detectarlas", dijo Burns. “Un pequeño porcentaje de GRB cortos pueden ser realmente llamaradas gigantes de magnetar. De hecho, pueden ser los estallidos de alta energía más comunes que hemos detectado mucho más allá de nuestra galaxia, aproximadamente cinco veces más frecuentes que las supernovas ".
Por Francis Reddy
Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
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Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
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Última actualización: 13 de enero de 2021, enlace publicación.
Editor: Francis Reddy
