Detectan un estallido de rayos gamma fallido de una supernova

Un pulso de radiación de alta energía registrado por el telescopio Fermi resultó el estallido de rayos gamma (GRB) más corto -un segundo- causado por la muerte de una estrella masiva jamás visto.

Los astrónomos los clasifican como largos o cortos en función de si el evento dura más o menos de dos segundos. Observan ráfagas largas en asociación con la desaparición de estrellas masivas, mientras que las ráfagas cortas se relacionaron 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 en un comunicado Bin-bin Zhang de la Universidad de Nanjing en China y la Universidad de Nevada, Las Vegas. “Esta explosión es especial porque definitivamente es un GRB de corta duración, pero sus otras propiedades apuntan a su origen en una estrella que colapsa. Ahora sabemos que las estrellas moribundas también pueden producir ráfagas cortas”.

Nombrado GRB 200826A, después 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 Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, describe el resplandor de múltiples longitudes de onda del GRB y la luz emergente de la explosión de supernova que siguió.

“Creemos que este evento fue efectivamente un fracaso, uno que estuvo cerca de no suceder en absoluto”, dijo Ahumada y agregó: “Aun así, la ráfaga emitió 14 millones de veces la energía liberada por toda la galaxia Vía Láctea durante el mismo período 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 precipitan hacia afuera casi a la velocidad de la luz en direcciones opuestas. Los astrónomos solo 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. Después del estallido, la estrella interrumpida 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 chocan. Las observaciones de Fermi ayudaron recientemente a mostrar que, en las galaxias cercanas, las llamaradas gigantes de estrellas de neutrones supermagnetizadas y aisladas también se hacen pasar por 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 un punto entre la Tierra y el Sol ubicado a aproximadamente 930.000 millas (1,5 millones de kilómetros) de distancia, y Mars Odyssey, que está orbitando el Planeta Rojo desde 2001. El satélite INTEGRAL de la agencia también observó la explosión.

Todas estas misiones participan en un sistema de localización de GRB llamado InterPlanetary Network (IPN), para el cual el proyecto Fermi proporciona todos los fondos estadounidenses. Debido a que la ráfaga llega a cada detector en momentos ligeramente diferentes, se puede usar cualquier par de ellos para ayudar a reducir 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 Zwicky Transient Facility (ZTF) en el Observatorio Palomar de Estados Unidos, 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.

“Llevar a cabo esta búsqueda es similar a tratar de encontrar una aguja en un pajar, pero el IPN ayuda a encoger el pajar”, dijo Shreya Anand, estudiante de posgrado en Caltech y coautora del artículo. “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 la NASA descubrió una emisión de rayos X que se desvanecía desde este mismo lugar. Un par de días después, Karl Jansky Very Large Array del Observatorio Nacional de Radioastronomía en Nuevo México detectó una emisión de radio variable. 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 dispositivo de 10,4 metros en el Observatorio Roque de los Muchachos en La Palma en las Islas Canarias, el equipo demostró que su luz tarda 6600 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 capturar la supernova emergente.

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

Para realizar la búsqueda, a Singer se le concedió tiempo en el telescopio Gemini North de 8,1 metros en Hawai y el uso de un instrumento sensible llamado espectrógrafo multiobjeto Gemini. 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 apenas emergieron 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 viajan distancias considerables desde ella. Si el agujero negro hubiera disparado chorros más débiles, o si la estrella era mucho más grande cuando comenzó su colapso, podría no haber habido un GRB en absoluto.

El descubrimiento ayuda a resolver un enigma de larga data. Si bien los GRB largos deben acoplarse a las supernovas, los astrónomos detectan un número mucho mayor de supernovas que los GRB largos. Esta discrepancia persiste incluso después de tener en cuenta el hecho de que los chorros GRB deben inclinarse casi en nuestra línea de visión para que los astrónomos los detecten.

Los investigadores concluyen que las estrellas en colapso que producen GRB cortos deben ser casos marginales cuyos chorros a la velocidad de la luz se tambalean al borde del éxito o el fracaso, una conclusión consistente con la idea de que la mayoría de las estrellas masivas mueren sin producir chorros ni GRB en absoluto.

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