Una remota explosión de rayos gamma golpea la Tierra

Una enorme explosión de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés), detectada el año pasado por numerosos telescopios espaciales y terrestres, impactó contra nuestro planeta. La explosión provocó una importante perturbación en la ionosfera de la Tierra.

Este tipo de perturbaciones suelen asociarse a eventos de partículas energéticas del Sol, pero esta fue el resultado de la explosión de una estrella o supernova a casi 2.000 millones de años luz de distancia, que incluso se ha llegado a asociar al nacimiento de un agujero negro.

Estudiar los efectos de explosiones como esta pueden proporcionar información sobre las extinciones masivas en la historia de la Tierra. La estabilidad de ionización de la atmósfera terrestre desempeña un papel fundamental para la evolución y perdurabilidad de la vida, pero está expuesta a estas remotas explosiones de alta energía, que pueden afectar a capas protectoras como la de ozono.

Historia del descubrimiento

A las 15:21 h (hora peninsular española) del 9 de octubre de 2022, una GRB extremadamente brillante y de larga duración fue detectada por muchos de los satélites de alta energía en órbita cerca de la Tierra, como la misión Integral de la ESA.

Este Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma (Integral, en inglés) fue lanzado por la ESA en 2002 y desde entonces ha estado detectando estallidos de rayos gamma casi a diario. Sin embargo, el GRB 221009A, que así se llamó la explosión, fue de todo menos ordinaria.

«Se trata probablemente de la explosión de rayos gamma más brillante jamás detectada», afirma Mirko Piersanti, de la Universidad de L’Aquila (Italia) y autor principal del equipo que publica ahora estos resultados en Nature Communications.

Los estallidos de rayos gamma fueron en su día fenómenos misteriosos, pero ahora se sabe que son el resultado de explosiones de estrellas llamadas supernovas o de la colisión de dos estrellas de neutrones superdensas.

«Llevamos midiendo estallidos de rayos gamma desde la década de 1960, y este es el más potente jamás medido», afirma el coautor Pietro Ubertini, del Instituto Nacional de Astrofísica de Roma (Italia) e investigador principal del instrumento IBIS de Intergral. Tan fuerte que su rival más cercano es diez veces más débil. Estadísticamente, una explosión de este tipo tan potente como GRB 221009A solo llega a la Tierra una vez cada 10.000 años.

Impactó durante unos 13 minutos

Durante los 800 segundos que duró el impacto de los rayos gamma, el estallido emitió energía suficiente para activar detectores de rayos en la India. Instrumentos situados en Alemania captaron señales de que la ionosfera de la Tierra se vio perturbada durante varias horas por la explosión. Esta cantidad extrema de energía dio al equipo la idea de buscar los efectos de la explosión en esa área alrededor de nuestro planeta.

La ionosfera es la capa de la atmósfera superior de la Tierra que contiene gases cargados eléctricamente llamados plasma. Se extiende desde unos 50 km a 950 km de altitud. Los científicos la denominan ionosfera superior por encima de los 350 km, e inferior, por debajo. La ionosfera es tan tenue que las naves espaciales pueden mantener órbitas en la mayor parte de ella.

Detección en ionosfera superior

Una de esas naves espaciales es el Satélite Sismo-Electromagnético de China (CSES), también conocido como Zhangheng, una misión chino-italiana. Fue lanzada en 2018 y vigila la parte superior de la ionosfera en busca de cambios en su comportamiento electromagnético. Su objetivo principal es estudiar posibles vínculos entre los cambios en esa capa más externa de la atmósfera y la ocurrencia de eventos sísmicos como terremotos, pero también puede estudiar el impacto que tiene en ella la actividad solar.

Mirko y Pietro forman parte del equipo científico del CSES y se dieron cuenta de que si el GRB había creado una perturbación, este satélite debería haberla visto. Pero no estaban seguros. «Habíamos buscado este efecto en otros GRB anteriormente, pero no habíamos visto nada», explica Pietro.

En el pasado, se habían observado GRB que afectaban a la ionosfera de la parte inferior durante la noche, cuando la influencia solar desaparece, pero nunca en la parte superior. Esto había llevado a pensar que, para cuando llegaba a la Tierra, la explosión de un GRB ya no era lo suficientemente potente como para producir una variación en la conductividad ionosférica que diera lugar a una variación del campo eléctrico. 

Esta vez, sin embargo, cuando los investigadores se fijaron, su suerte fue distinta. El efecto fue obvio y fuerte. Por primera vez, observaron una intensa perturbación en forma de una fuerte variación del campo eléctrico en la ionosfera superior. «Es asombroso. Podemos ver cosas que ocurren en el espacio profundo pero que también afectan a la Tierra», afirma Erik Kuulkers, científico del proyecto de la ESA.

Este GRB en concreto tuvo lugar en una galaxia situada a casi 2.000 millones de años luz de distancia -es decir, hace 2.000 millones de años-, pero aun así tuvo energía suficiente para afectar a la Tierra. Aunque el Sol suele ser la principal fuente de radiación lo bastante potente como para afectar a la ionosfera terrestre, este estallido de rayos gamma activó instrumentos generalmente reservados al estudio de las inmensas explosiones en la atmósfera solar conocidas como erupciones solares.

«Especialmente, esta perturbación afectó a las capas más bajas de la ionosfera terrestre, situadas a solo decenas de kilómetros por encima de la superficie de nuestro planeta, dejando una huella comparable a la de una gran erupción solar», explica Laura Hayes, investigadora y física solar de la ESA.

Esta huella se produjo en forma de un aumento de la ionización en la parte inferior de la ionosfera. Se detectó en señales de radio de muy baja frecuencia que rebotan entre el suelo y esa región ionosférica. «Podemos decir que la ionosfera ‘se movió’ hacia altitudes más bajas, y lo detectamos en la forma en que las ondas de radio rebotan a lo largo de la ionosfera», explica Laura, que publicó estos resultados en 2022. 

Esto refuerza la idea de que una supernova en la Vía Láctea podría tener consecuencias mucho más graves. «Ha habido un gran debate sobre las posibles consecuencias de un estallido de rayos gamma en nuestra propia galaxia«, recalca Mirko.

Riesgo de dañar la capa de ozono

En el peor de los casos, la explosión no solo afectaría a la ionosfera, sino que también podría dañar la capa de ozono, permitiendo que la peligrosa radiación ultravioleta del Sol llegara a la superficie de la Tierra. Se ha especulado con que este efecto podría ser la causa de algunas de las extinciones masivas que han tenido lugar en la Tierra en el pasado. Pero para investigar la idea, necesitaremos muchos más datos.

Ahora que saben exactamente qué buscar, el equipo ya ha empezado a examinar los datos recogidos por CSES y a correlacionarlos con las demás explosiones de rayos gamma observadas por Integral.

Aunque solo pueden retroceder hasta 2018, cuando se lanzó esta misión chino-italiana, ya se ha planeado otra de seguimiento, lo que garantiza que esta fascinante nueva ventana a la forma en que la Tierra interactúa con el universo más lejano permanezca abierta. 

Referencia:

Piersanti et al. «First Evidence of Earth’s top-side ionospheric electric field variation triggered by impulsive cosmic photons». Nature Communications, 2023

Fuente: ESA