Científicos detectan una explosión cósmica excepcional que desafía la teoría física actual

Un observatorio de Namibia ha registrado la radiación más energética y el resplandor de rayos gamma más largo de una explosión de rayos gamma (GRB).

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Las observaciones realizadas con el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS, por sus siglas en inglés) desafían la idea establecida de cómo se producen los rayos gamma en estas colosales explosiones estelares que son el grito de nacimiento de los agujeros negros, según informa el equipo internacional de investigadores en la revista ‘Science’.

“Los estallidos de rayos gamma son destellos brillantes de rayos X y gamma observados en el cielo, emitidos por fuentes extragalácticas distantes”, explica en un comunicado la científica del Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY) Sylvia Zhu, una de las autoras del artículo.

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“Son las mayores explosiones del universo y están asociadas al colapso de una estrella masiva que gira rápidamente hasta convertirse en un agujero negro -continúa-. Una fracción de la energía gravitacional liberada alimenta la producción de una onda expansiva ultrarelativista. Su emisión se divide en dos fases distintas: una fase inicial de impulso caótico que dura decenas de segundos, seguida de una fase de resplandor de larga duración y suave desvanecimiento”.

El 29 de agosto de 2019 los satélites Fermi y Swift detectaron una explosión de rayos gamma en la constelación de Eridanus. El evento, catalogado como GRB 190829A según su fecha de ocurrencia, resultó ser uno de los estallidos de rayos gamma más cercanos observados hasta ahora, con una distancia de unos mil millones de años luz. Por comparar, el estallido típico de rayos gamma está a unos 20.000 millones de años luz.

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“Estábamos realmente sentados en primera fila cuando se produjo esta explosión de rayos gamma”, celebra el coautor Andrew Taylor, del DESY. El equipo captó el resplandor posterior a la explosión inmediatamente cuando se hizo visible para los telescopios HESS. “Pudimos observar el resplandor posterior durante varios días y a energías de rayos gamma sin precedentes”, añade Taylor.

La distancia comparativamente corta a este estallido de rayos gamma permitió realizar mediciones detalladas del espectro del resplandor, que es la distribución de ‘colores’ o energías de los fotones de la radiación, en el rango de energía muy alto.

“Pudimos determinar el espectro del GRB 190829A hasta una energía de 3,3 tera-electronvoltios, es decir, un billón de veces más energético que los fotones de la luz visible -explica la coautora Edna Ruiz-Velasco, del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, en Alemania-. Esto es lo excepcional de este estallido de rayos gamma: ocurrió en nuestro patio trasero cósmico, donde los fotones de muy alta energía no fueron absorbidos en colisiones con la luz de fondo en su camino hacia la Tierra, como ocurre en distancias mayores en el cosmos”.

El equipo pudo seguir el resplandor posterior hasta tres días después de la explosión inicial. El resultado fue una sorpresa: “Nuestras observaciones revelaron curiosas similitudes entre la emisión de rayos X y la de rayos gamma de muy alta energía del resplandor posterior a la explosión”, informa Zhu.

Las teorías establecidas asumen que los dos componentes de la emisión deben ser producidos por mecanismos separados: el componente de rayos X se origina en electrones ultrarrápidos que son desviados en los fuertes campos magnéticos de los alrededores de la explosión. Este proceso de ‘sincrotrón’ es bastante similar a la forma en que los aceleradores de partículas de la Tierra producen rayos X brillantes para las investigaciones científicas.

Sin embargo, según las teorías existentes, parecía muy improbable que incluso las explosiones más potentes del universo pudieran acelerar los electrones lo suficiente como para producir directamente los rayos gamma de muy alta energía observados.

Esto se debe al ‘límite de quemado’, que viene determinado por el equilibrio entre la aceleración y el enfriamiento de las partículas dentro de un acelerador. La producción de rayos gamma de muy alta energía requiere electrones con energías muy superiores al límite de quemado. En cambio, las teorías actuales suponen que en un estallido de rayos gamma, los electrones rápidos colisionan con los fotones de sincrotrón y, por lo tanto, los impulsan a energías de rayos gamma en un proceso denominado sincrotrón autocompton.

Pero las observaciones del resplandor posterior del GRB 190829A muestran ahora que ambos componentes, los rayos X y los rayos gamma, se desvanecieron de forma sincronizada. Además, el espectro de rayos gamma coincidía claramente con una extrapolación del espectro de rayos X. En conjunto, estos resultados son un fuerte indicio de que los rayos X y los rayos gamma de muy alta energía de este resplandor se produjeron por el mismo mecanismo.

“Resulta bastante inesperado observar características espectrales y temporales tan similares en las bandas de energía de los rayos X y de los rayos gamma de muy alta energía, si la emisión en estos dos rangos de energía tuviera orígenes diferentes -afirma el coautor Dmitry Khangulyan, de la Universidad Rikkyo, en Tokio-. Esto supone un reto para el origen sincrotrón auto-compton de la emisión de rayos gamma de muy alta energía”.

La gran implicación de esta posibilidad pone de manifiesto la necesidad de realizar más estudios sobre la emisión de posgolpes de GRBs de muy alta energía. El GRB 190829A es solo la cuarta explosión de rayos gamma detectada desde tierra.

Sin embargo, las anteriores explosiones detectadas se produjeron mucho más lejos en el cosmos y su resplandor posterior solo pudo observarse durante unas horas cada una y no hasta energías superiores a 1 tera-electronvoltio (TeV).

“Mirando hacia el futuro, las perspectivas de detección de estallidos de rayos gamma mediante instrumentos de nueva generación como el Cherenkov Telescope Array que se está construyendo actualmente en los Andes chilenos y en la isla canaria de La Palma parecen prometedoras”, afirma el portavoz del HESS, Stefan Wagner, del Landessternwarte Heidelberg.

“La abundancia general de estallidos de rayos gamma nos lleva a esperar que las detecciones regulares en la banda de muy alta energía se vuelvan bastante comunes, ayudándonos a entender completamente su física”, concluye.

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