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.

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.

Representaciones artísticas del estallido de rayos gamma en altas energías detectado por MAGIC. / Superbossa.com y MPI for Physics/Gabriel Pérez Díaz (IAC)

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.

Telescopios MAGIC en La Palma. / Max_Astrophotographie

“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.

“El descubrimiento de la emisión de rayos gamma en el GRB 190114C en la banda TeV del espectro electromagnético muestra que los GRB son aún más potentes de lo que se pensaba –dice Mirzoyan–. La riqueza de los datos del GRB 190114C adquiridos por MAGIC y las extensas observaciones de seguimiento en múltiples longitudes de onda, ofrecen pistas importantes para desentrañar algunos de los misterios relacionados con los procesos físicos que suceden en los GRB».

Un estudio comparativo de todas las observaciones anteriores de GRB por MAGIC sugiere que el GRB 190114C no fue un evento particularmente único, excepto por su relativa proximidad (a unos 4.500 millones de años luz de la Tierra), y que la detección exitosa se debe al excelente rendimiento del instrumento.

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.

Importante participación española

En la colaboración MAGIC participan numerosas instituciones española desde sus comienzos. Actualmente son miembros el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). Además, el centro de datos de MAGIC es el Port d’Informació Científica (PIC), una colaboración del IFAE y el CIEMAT.

Por su parte, investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) han aportado una panorámica completa del entorno donde se produjo la explosión. “Hemos combinado datos de algunos de los observatorios más potentes del mundo, como el telescopio espacial Hubble, el Very Large Telescope (VLT) y ALMA –el mayor radiotelescopio del mundo- para explicar la radiación observada por MAGIC y comprobar si la emisión de fotones tan energéticos en esta GRB está relacionada con el entorno de una estrella que, al colapsar, produjo el estallido”, señala Antonio de Ugarte Postigo, investigador del CSIC.   

Este grupo ha podido determinar que la GRB se produjo en la región central de una galaxia que se halla en proceso de interacción con otra algo mayor y muy próxima, un proceso que desencadena intensos brotes de formación estelar. No solo la galaxia anfitriona de la GRB es más masiva de lo habitual en estos fenómenos, sino que el entorno inmediato de la estrella en colapso es también más denso que el que presentan de media este tipo de estallidos.

“Necesitamos estudiar el sistema en más detalle aún, pero un entorno tan denso ha podido ser crucial en la producción de los fotones ultraenergéticos detectados con MAGIC. Esperamos poder confirmarlo en los próximos estudios en los que estamos trabajando”, indica la coautora Christina Thöne, investigadora del IAA. Con la ayuda del Gran Telescopio Canarias (GTC), miembros de este instituto también han ayudado a determinar la distancia a la que se produjo el estallido y obtener imágenes del evento.   

En el mismo número de la revista Nature, otro equipo de investigadores presenta los detalles del brote de rayos gamma denominado GRB 180720B, detectado en julio de 2018 con energías de emisión de fotones del orden de 100 a 440 GeV. Los autores de este trabajo también atribuyen este fenómeno al proceso inverso de Compton.