Observan explosiones cósmicas de rayos gamma con altísima energía

Los brotes de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) son las explosiones más violentas en el universo y aparecen repentinamente en el cielo, aproximadamente una vez al día. Se cree que son el resultado del colapso de estrellas masivas o de la fusión de estrellas de neutrones, e incluso fruto de la formación de agujeros negros en galaxias distantes.

Comienzan con un destello inicial muy brillante, llamado emisión rápida, con una duración que varía desde una fracción de segundo hasta cientos de segundos. Esta se acompaña de una post-luminiscencia, una emisión más débil pero más duradera con un amplio rango de longitudes de onda, desde ondas de radio hasta rayos gamma con una energía de gigaelectronvóltios (GeV). Los orígenes de estas energéticas emisiones se conocen poco por la escasez de observaciones.

Detección de la explosión en todo el mundo

Pero el 14 de enero de 2019, dos satélites espaciales descubrieron de forma independiente una de estas explosiones de rayas gamma llamada GRB 190114C. En 22 segundos, se distribuyeron sus coordenadas en forma de alerta electrónica a los astrónomos de todo el mundo, incluida la Colaboración MAGIC, que tiene dos telescopios Cherenkov de 17 metros de diámetro en la isla canaria de La Palma. A pesar de pesar 64 toneladas cada uno, pueden rotar 180 grados en medio minuto.

“Llevábamos 20 años buscando esta señal. Nadie esperaba poder medir radiación gamma de tan altísima energía”

Tan solo 50 segundos después de que comenzará este brote de rayos gamma, MAGIC ya estaba observándolo. Los científicos quedaron sorprendidos al comprobar que emitía los fotones de mayor energía detectados hasta ahora procedentes de este tipo de objetos.

De hecho, GRB 190114C pasó a ostentar el récord de ser la fuente más brillante conocida de estos energéticos fotones, además de ser el primer estallido de rayos gamma en muy altas energías captado por MAGIC. Los detalles se publican ahora en dos artículos de la revista Nature.

El análisis de los datos recogidos durante alrededor de un minuto revela que la emisión de fotones en la post-luminiscencia alcanzó energías de 0,2 a un teraelectronvoltio (TeV), es decir, un billón de veces más energéticos que la luz visible. Durante este tiempo, la emisión de fotones del GRB 190114C fue cien veces más intensa que la fuente estable más brillante conocida en estas energías, la Nebulosa del Cangrejo.

“Es un descubrimiento único porque llevábamos 20 años buscando esta señal. Nadie esperaba poder medir radiación gamma de tan altísima energía”, explica a Sinc María Victoria Fonseca, presidenta de la Junta de la Colaboración MAGIC y astrofísica de la Universidad Complutense de Madrid. De hecho, es la primera vez que se detectan emisiones de GRB con rangos de energía superiores a los 100 GeV, una observación sin precedentes que aporta nuevos indicios para comprender los procesos físicos que suceden en las explosiones más violentas en el universo.

Como se esperaba para la post-luminiscencia de los GRB, la emisión se desvaneció rápidamente con el tiempo, igual que la post-luminiscencia ya observada a energías más bajas. Los últimos destellos fueron vistos por MAGIC media hora después.

En cualquier caso, la Colaboración MAGIC ha podido anunciar por primera vez la detección inequívoca de fotones de TeV de un GRB a la comunidad internacional de astrónomos sólo unas horas después de las alertas enviadas por los satélites.

“Los telescopios MAGIC son los únicos en el mundo que tienen los umbrales de energía necesarios para capturar este evento en ese rango de energía”, dice la astrofísica.

Esto facilitó luego una extensa campaña de observaciones en múltiples longitudes de onda de este brote de rayos gamma, con la contribución de más de dos docenas de observatorios e instrumentos, proporcionando una cobertura completa de este GRB desde la banda de radio hasta las energías TeV.

En particular, las observaciones ópticas permitieron medir la distancia a la que han viajado los fotones desde que se generaron en el rayo, aproximadamente a 4.500 millones de años luz.

Aunque la emisión de TeV en la post-luminiscencia de estas explosiones de rayos gamma se había predicho en algunos estudios teóricos, nunca antes se había confirmado experimentalmente, a pesar de numerosos esfuerzos en las últimas décadas con varios instrumentos, incluido MAGIC.

¿Qué mecanismo físico hay detrás de este fenómeno?

“Después de más de 50 años desde que se descubrieron los GRB, muchos de sus aspectos fundamentales siguen siendo un misterio”, comenta Razmik Mirzoyan, portavoz de la Colaboración MAGIC y científico del Instituto Max Planck de Física (Alemania). Las energías son mucho más altas de lo que se puede esperar de la denominada radiación sincrotrón, causada por los electrones de alta energía en movimiento dentro de campos magnéticos. Este proceso se considera responsable de la emisión que se había observado anteriormente a energías más bajas en la post-luminiscencia de los GRB.

“La noche que detectamos el GRB 190114C, estaba en la sala de control de los telescopios MAGIC. Desde el primer momento, nos dimos cuenta que los fotones que íbamos viendo pasaban el límite de la radiación de sincrotrón. Estos nuevos resultados, junto con los numerosos datos en múltiples longitudes de onda, proporcionan la primera evidencia inequívoca de un proceso de emisión adicional y distinto en la post-luminiscencia”, explica la coautora Elena Moretti, miembro de la colaboración e investigadora de Instituto de Física de Altas Energías (IFAE).

El análisis de los datos indica que el candidato preferido es el llamado proceso inverso de Compton, donde los electrones de alta energía transfieren energía al colisionar con los fotones existentes, haciéndolos más energéticos.

Con la detección del GRB 190114C, MAGIC abre una nueva ventana para estudiar estos colosales brotes de rayos gamma. Todo indica que se pueden detectar muchos más GRB en las energías del TeV y facilitar el camino para una comprensión mucho más profunda de estas fascinantes explosiones cósmicas.

Referencia bibliográfica:

MAGIC Collaboration/R. Mirzoyan et al.: “Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst” – DOI: 10.1038/s41586-019-1754-6. MAGIC Collaboration/R. Mirzoyan et al.: “Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C” – DOI: 10.1038/s41586-019-1750-x. E. Ruiz-Velasco et al.: “A very-high-energy component deep in the γ-ray burst afterglow”- DOI: 10.1038/s41586-019-1743-9. Nature, 20 de noviembre de 2019.

Fuente: SINC/IFAE/IAA-CSIC/IAC