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Explosión de rayos gamma

Ilustración artística que muestra la vida de una estrella masiva : La fusión nuclear convierte elementos ligeros en elementos más pesados; cuando la fusión ya no genera suficien...

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Ilustración artística que muestra la vida de una estrella masiva : La fusión nuclear convierte elementos ligeros en elementos más pesados; cuando la fusión ya no genera suficiente presión para contrarrestar la gravedad, la estrella colapsa en un agujero negro . Durante este colapso, se puede liberar energía en forma de una ráfaga momentánea de rayos gamma alineados con el eje de rotación.

En astronomía de rayos gamma , los estallidos de rayos gamma ( GRB ) son eventos extremadamente energéticos que ocurren en galaxias distantes y representan la clase de explosión más brillante y poderosa del Universo. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Estas emisiones electromagnéticas extremas son, después del Big Bang , los fenómenos más energéticos y luminosos conocidos. [ 5 ] [ 6 ] Los estallidos de rayos gamma pueden durar desde unos pocos milisegundos hasta varias horas. [ 7 ] [ 8 ] Después del destello inicial de rayos gamma , se emite un resplandor posterior de mayor duración, generalmente en las longitudes de onda más largas de rayos X , ultravioleta , óptico , infrarrojo , microondas o radiofrecuencias . [ 9 ]

Se cree que la intensa radiación de la mayoría de los GRB observados se libera durante una supernova o supernova superluminosa cuando una estrella de alta masa implosiona para formar una estrella de neutrones o un agujero negro . Los eventos de corta duración (sGRB) son una subclase de señales GRB que ahora se sabe que se originan a partir de la fusión cataclísmica de estrellas de neutrones binarias . [ 10 ]

Las fuentes de la mayoría de los GRB se encuentran a miles de millones de años luz de la Tierra , lo que implica que las explosiones son extremadamente energéticas (una explosión típica libera tanta energía en unos pocos segundos como la que el Sol liberará en toda su vida de 10 mil millones de años) [ 11 ] y extremadamente raras (unas pocas por galaxia por millón de años). [ 12 ] Todos los GRB registrados en la historia se han originado fuera de la Vía Láctea , aunque una clase relacionada de fenómenos, los repetidores gamma suaves , están asociados con magnetares dentro de nuestra galaxia. Una explosión de rayos gamma en la Vía Láctea apuntando directamente a la Tierra probablemente esterilizaría el planeta o causaría una extinción masiva . [ 13 ] Algunos investigadores han planteado la hipótesis de que la extinción masiva del Ordovícico Tardío ocurrió como resultado de una explosión de rayos gamma de este tipo. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

Las señales de GRB fueron detectadas por primera vez en 1967 por los satélites Vela , que fueron diseñados para detectar pruebas encubiertas de armas nucleares ; después de un período de análisis "exhaustivo", [ 17 ] : 979 esto fue publicado como investigación académica en 1973. [ 18 ] Después de su descubrimiento, se propusieron cientos de modelos teóricos para explicar estos estallidos, como colisiones entre cometas y estrellas de neutrones . [ 19 ] Había poca información disponible para verificar estos modelos hasta la detección en 1997 de los primeros resplandores posteriores de rayos X y ópticos y la medición directa de sus desplazamientos al rojo usando espectroscopia óptica , y por lo tanto sus distancias y salidas de energía. Estos descubrimientos, y los estudios subsiguientes de las galaxias y supernovas asociadas con los estallidos, aclararon la distancia y luminosidad de los GRB, ubicándolos definitivamente en galaxias distantes.

Historia

Posiciones en el cielo de todos los estallidos de rayos gamma detectados durante la misión BATSE. La distribución es isotrópica , sin concentración hacia el plano de la Vía Láctea, que atraviesa horizontalmente el centro de la imagen.

Los estallidos de rayos gamma fueron observados por primera vez a finales de la década de 1960 por los satélites Vela de EE. UU. , construidos para detectar pulsos de radiación gamma emitidos por armas nucleares probadas en el espacio. Estados Unidos sospechaba que la Unión Soviética podría intentar realizar pruebas nucleares secretas después de firmar el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares en 1963. [ 20 ] El 2 de julio de 1967, a las 14:19 UTC , los satélites Vela 4 y Vela 3 detectaron un destello de radiación gamma diferente a cualquier firma conocida de armas nucleares. [ 21 ] Sin estar seguros de lo que había sucedido, pero sin considerar el asunto particularmente urgente, el equipo del Laboratorio Nacional de Los Alamos , dirigido por Ray Klebesadel , archivó los datos para su investigación. A medida que se lanzaban satélites Vela adicionales con mejores instrumentos, el equipo de Los Alamos continuó encontrando estallidos de rayos gamma inexplicables en sus datos. Al analizar los diferentes tiempos de llegada de las ráfagas detectadas por distintos satélites, el equipo pudo determinar estimaciones aproximadas de las posiciones celestes de 16 ráfagas [ 21 ] [ 22 ] y descartar definitivamente un origen terrestre o solar. Contrariamente a la creencia popular, los datos nunca fueron clasificados. [ 17 ] Tras un análisis exhaustivo, los hallazgos se publicaron en 1973 en el Astrophysical Journal como un artículo titulado "Observaciones de ráfagas de rayos gamma de origen cósmico". [ 18 ]

La mayoría de las primeras hipótesis sobre los estallidos de rayos gamma postulaban fuentes cercanas dentro de la Vía Láctea . Desde 1991, el Observatorio de Rayos Gamma Compton (CGRO) y su instrumento BATSE (Burst and Transient Source Explorer ), un detector de rayos gamma extremadamente sensible, proporcionaron datos que mostraron que la distribución de los GRB es isotrópica (es decir, no sesgada hacia ninguna dirección particular en el espacio). [ 23 ] Si las fuentes fueran de dentro de nuestra propia galaxia, estarían fuertemente concentradas en o cerca del plano galáctico. La ausencia de cualquier patrón de este tipo en el caso de los GRB proporcionó una fuerte evidencia de que los estallidos de rayos gamma deben provenir de más allá de la Vía Láctea. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] No obstante, algunos modelos de la Vía Láctea siguen siendo consistentes con una distribución isotrópica. [ 24 ] [ 28 ]

Objetos contraparte como fuentes candidatas

Durante décadas después del descubrimiento de los GRB, los astrónomos buscaron una contraparte en otras longitudes de onda: es decir, cualquier objeto astronómico en coincidencia posicional con un estallido observado recientemente. Los astrónomos consideraron muchas clases distintas de objetos, incluyendo enanas blancas , púlsares , supernovas , cúmulos globulares , cuásares , galaxias Seyfert y objetos BL Lac . [ 29 ] Todas estas búsquedas fueron infructuosas, [ nb 1 ] y en algunos casos, se pudo demostrar claramente que los estallidos particularmente bien localizados (aquellos cuyas posiciones se determinaron con lo que entonces era un alto grado de precisión) no tenían objetos brillantes de ninguna naturaleza consistentes con la posición derivada de los satélites de detección. Esto sugirió un origen de estrellas muy débiles o galaxias extremadamente distantes. [ 30 ] [ 31 ] Incluso las posiciones más precisas contenían numerosas estrellas y galaxias débiles, y se acordó ampliamente que la resolución final de los orígenes de los estallidos de rayos gamma cósmicos requeriría tanto nuevos satélites como una comunicación más rápida. [ 32 ]

Resplandor crepuscular

El satélite italo-holandés BeppoSAX , lanzado en abril de 1996, proporcionó las primeras posiciones precisas de los estallidos de rayos gamma, lo que permitió realizar observaciones de seguimiento e identificar las fuentes.

Varios modelos para el origen de los estallidos de rayos gamma postulaban que el estallido inicial de rayos gamma debería ir seguido de un resplandor posterior : una emisión que se desvanece lentamente en longitudes de onda más largas creada por colisiones entre la eyección del estallido y el gas interestelar. [ 33 ] Las primeras búsquedas de este resplandor posterior no tuvieron éxito, principalmente porque es difícil observar la posición de un estallido en longitudes de onda más largas inmediatamente después del estallido inicial. El avance se produjo en febrero de 1997 cuando el satélite BeppoSAX detectó un estallido de rayos gamma ( GRB 970228 [ nb 2 ] ) y cuando la cámara de rayos X se apuntó hacia la dirección de donde se había originado el estallido, detectó una emisión de rayos X que se desvanecía. El Telescopio William Herschel identificó una contraparte óptica que se desvanecía 20 horas después del estallido. [ 34 ] Una vez que el GRB se desvaneció, la imagen profunda pudo identificar una galaxia anfitriona débil y distante en la ubicación del GRB, tal como la señaló el resplandor posterior óptico. [ 35 ] [ 36 ]

Debido a la muy débil luminosidad de esta galaxia, su distancia exacta no se midió durante varios años. Mucho después, se produjo otro gran avance con el siguiente evento registrado por BeppoSAX, GRB 970508. Este evento se localizó a las cuatro horas de su descubrimiento, lo que permitió a los equipos de investigación comenzar a hacer observaciones mucho antes que cualquier estallido anterior. El espectro del objeto reveló un corrimiento al rojo de z  =  0,835, lo que sitúa el estallido a una distancia de aproximadamente 6  mil millones de años luz de la Tierra. [ 37 ] Esta fue la primera determinación precisa de la distancia a un GRB, y junto con el descubrimiento de la galaxia anfitriona de 970228 demostró que los GRB ocurren en galaxias extremadamente distantes. [ 35 ] [ 38 ] En pocos meses, la controversia sobre la escala de distancia terminó: los GRB eran eventos extragalácticos originados dentro de galaxias débiles a distancias enormes. Al año siguiente, GRB 980425 fue seguido, con un día de diferencia, por una brillante supernova ( SN 1998bw ), coincidente en ubicación, lo que indica una clara conexión entre los GRB y la muerte de estrellas muy masivas. Este estallido proporcionó la primera pista sólida sobre la naturaleza de los sistemas que producen GRB. [ 39 ] 

Instrumentos más recientes – lanzados a partir del año 2000

La nave espacial Swift de la NASA fue lanzada en noviembre de 2004.

BeppoSAX funcionó hasta 2002 y CGRO (con BATSE) fue desorbitado en 2000. La revolución en el estudio de los estallidos de rayos gamma motivó el desarrollo de varios instrumentos adicionales diseñados específicamente para explorar la naturaleza de los GRB, especialmente en los primeros momentos posteriores a la explosión. La primera misión de este tipo, HETE-2 , [ 40 ] fue lanzada en 2000 y funcionó hasta 2006, proporcionando la mayoría de los descubrimientos importantes durante este período. Una de las misiones espaciales más exitosas hasta la fecha, Swift , fue lanzada en 2004 y, a mayo de 2024, todavía está operativa. [ 41 ] [ 42 ] Swift está equipada con un detector de rayos gamma muy sensible, así como con telescopios ópticos y de rayos X a bordo, que pueden ser orientados rápida y automáticamente para observar la emisión de resplandor posterior a un estallido. Más recientemente, se lanzó la misión Fermi con el Monitor de Estallidos de Rayos Gamma , que detecta estallidos a una tasa de varios cientos por año, algunos de los cuales son lo suficientemente brillantes como para ser observados a energías extremadamente altas con el Telescopio de Gran Área de Fermi . Mientras tanto, en tierra, se han construido o modificado numerosos telescopios ópticos para incorporar software de control robótico que responde inmediatamente a las señales enviadas a través de la Red de Coordenadas de Estallidos de Rayos Gamma . Esto permite que los telescopios reorienten rápidamente hacia un GRB, a menudo en cuestión de segundos después de recibir la señal y mientras la emisión de rayos gamma aún está en curso. [ 43 ] [ 44 ]

El Space Variable Objects Monitor es un pequeño satélite telescopio de rayos X para estudiar las explosiones de estrellas masivas analizando los estallidos de rayos gamma resultantes, desarrollado por la Administración Espacial Nacional de China (CNSA), la Academia China de Ciencias (CAS) y la Agencia Espacial Francesa ( CNES ), [ 45 ] lanzado el 22 de junio de 2024 (07:00:00 UTC).

La Agencia Espacial de Taiwán lanzará un cubesat llamado Monitor de Transitorios de Rayos Gamma para rastrear GRB y otros transitorios de rayos gamma brillantes con energías que van desde 50 keV hasta 2 MeV en el cuarto trimestre de 2026. [ 46 ]

Ráfagas cortas y otras observaciones

Los nuevos desarrollos desde la década de 2000 incluyen el reconocimiento de los estallidos de rayos gamma cortos como una clase separada (probablemente de la fusión de estrellas de neutrones y no asociados con supernovas), el descubrimiento de actividad de llamaradas extendidas y erráticas en longitudes de onda de rayos X que duran muchos minutos después de la mayoría de los GRB, y el descubrimiento de las fuentes emisivas más luminosas ( GRB 080319B ) y anteriormente más distantes ( GRB 090423 ) en el universo. [ 47 ] [ 48 ] Antes de una serie de descubrimientos del Telescopio Espacial James Webb , la presunta fuente de GRB 090429B era el objeto conocido más distante en el universo.

En octubre de 2018, los astrónomos informaron que GRB 150101B (detectado en 2015) y GW170817 , un evento de ondas gravitacionales detectado en 2017 (que se ha asociado con GRB 170817A , una explosión detectada 1,7 segundos después), podrían haber sido producidos por el mismo mecanismo: la fusión de dos estrellas de neutrones . Las similitudes entre los dos eventos, en términos de emisiones de rayos gamma , ópticos y de rayos X , así como en la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas , se consideraron "sorprendentes", lo que sugiere que ambos eventos separados podrían ser el resultado de la fusión de estrellas de neutrones, y ambos podrían ser una kilonova , que podría ser más común en el universo de lo que se creía, según los investigadores. [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]

La luz de mayor energía observada de un estallido de rayos gamma fue de un teraelectronvoltio , proveniente de GRB 190114C en 2019. [ 53 ] Aunque enorme para un evento tan distante, esta energía es aproximadamente tres órdenes de magnitud menor que la luz de mayor energía observada de fuentes de rayos gamma más cercanas dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea , por ejemplo, un evento de 2021 de 1,4 petaelectronvoltios. [ 54 ]

Clasificación

Curvas de luz de los estallidos de rayos gamma

Las curvas de luz de los estallidos de rayos gamma son extremadamente diversas y complejas. [ 55 ] No hay dos curvas de luz de estallidos de rayos gamma idénticas, [ 56 ] con una gran variación observada en casi todas las propiedades: la duración de la emisión observable puede variar de milisegundos a decenas de minutos, puede haber un solo pico o varios subpulsos individuales, y los picos individuales pueden ser simétricos o con un brillo rápido y un desvanecimiento muy lento. Algunos estallidos están precedidos por un evento " precursor ", un estallido débil que luego es seguido (después de segundos a minutos sin emisión alguna) por el episodio de estallido "verdadero" mucho más intenso. [ 57 ] Las curvas de luz de algunos eventos tienen perfiles extremadamente caóticos y complicados con casi ningún patrón discernible. [ 32 ]

Aunque algunas curvas de luz pueden reproducirse aproximadamente utilizando ciertos modelos simplificados, [ 58 ] se ha avanzado poco en la comprensión de la diversidad observada. Se han propuesto muchos esquemas de clasificación, pero estos a menudo se basan únicamente en diferencias en la apariencia de las curvas de luz y pueden no reflejar siempre una verdadera diferencia física en los progenitores de las explosiones. Los gráficos de la distribución de la duración observada [ nb 3 ] para un gran número de estallidos de rayos gamma muestran una clara bimodalidad , lo que sugiere la existencia de dos poblaciones separadas: una población "corta" con una duración promedio de aproximadamente 0,3 segundos y una población "larga" con una duración promedio de aproximadamente 30 segundos. [ 8 ] Ambas distribuciones son muy amplias con una región de superposición significativa en la que la identidad de un evento dado no es clara solo por la duración. Se han propuesto clases adicionales más allá de este sistema de dos niveles tanto por razones observacionales como teóricas. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]

breves estallidos de rayos gamma

Imagen del Hubble del resplandor infrarrojo de una explosión de kilonova [ 63 ]
GRB 211106A, uno de los sGRB más energéticos jamás registrados, en la primera película de lapso de tiempo de un GRB en luz de longitud de onda milimétrica, vista por el Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array (ALMA) [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]

Los eventos con una duración inferior a unos dos segundos se clasifican como estallidos de rayos gamma cortos (sGRB). Estos representan aproximadamente el 30 % de los estallidos de rayos gamma, pero hasta 2005 no se había detectado con éxito ningún resplandor posterior de ningún evento corto y se sabía poco sobre sus orígenes. [ 67 ] Posteriormente, se detectaron y localizaron varias docenas de resplandores posteriores de estallidos de rayos gamma cortos, varios de ellos asociados con regiones de poca o ninguna formación estelar, como grandes galaxias elípticas . [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] Esto descartó una relación con estrellas masivas, confirmando que los eventos cortos son físicamente distintos de los eventos largos. Además, no había habido ninguna asociación con supernovas. [ 71 ]

La verdadera naturaleza de estos objetos era entonces inicialmente desconocida, pero la hipótesis principal era que se originaron a partir de fusiones de estrellas de neutrones binarias o una estrella de neutrones con un agujero negro . Se hipotetizó que tales fusiones producirían kilonovas , [ 72 ] y en 2013 se informó evidencia de una kilonova asociada con el GRB corto 130603B. [ 73 ] [ 74 ] La duración media de los eventos sGRB de alrededor de 200 milisegundos implicaba (debido a la causalidad ) que las fuentes debían tener un diámetro físico muy pequeño en términos estelares: menos de 0,2 segundos luz (60.000  km o 37.000 millas), aproximadamente cuatro veces el diámetro de la Tierra. La observación de destellos de rayos X de minutos a horas después de un sGRB se consideró consistente con pequeñas partículas de un objeto precursor como una estrella de neutrones siendo inicialmente engullidas por un agujero negro en menos de dos segundos, seguidas de algunas horas de eventos de menor energía a medida que los fragmentos restantes de material de estrella de neutrones perturbado por las mareas permanecerían en órbita, cayendo en espiral hacia el agujero negro durante un período de tiempo más prolongado. [ 67 ]

El origen de los estallidos cortos de rayos gamma en kilonovas se estableció finalmente de manera concluyente en 2017, cuando el estallido corto de rayos gamma GRB 170817A coincidió con la detección de la onda gravitacional GW170817 , una señal de la fusión de dos estrellas de neutrones. [ 10 ]

Sin relación con estos orígenes cataclísmicos, las señales de rayos gamma de corta duración también son producidas por llamaradas gigantes de repetidores de rayos gamma suaves en nuestra propia galaxia, o en galaxias cercanas. [ 75 ] [ 76 ]

Estallidos de rayos gamma de larga duración

El satélite Swift capturó el resplandor posterior del GRB 221009A aproximadamente una hora después de que se detectara su llegada a la Tierra el 9 de octubre de 2022. Los brillantes anillos se forman como resultado de los rayos X dispersados ​​por capas de polvo, normalmente inobservables, dentro de nuestra galaxia que se encuentran en la dirección de la explosión.

La mayoría de los eventos observados (70%) tienen una duración superior a dos segundos y se clasifican como estallidos de rayos gamma largos. Debido a que estos eventos constituyen la mayoría de la población y a que tienden a tener los resplandores posteriores más brillantes, se han observado con mucho mayor detalle que sus contrapartes cortas. Casi todos los estallidos de rayos gamma largos bien estudiados se han vinculado a una galaxia con rápida formación estelar, y en muchos casos también a una supernova de colapso de núcleo , lo que asocia inequívocamente los GRB largos con la muerte de estrellas masivas. [ 71 ] [ 77 ] Las observaciones del resplandor posterior de los GRB largos, a alto corrimiento al rojo, también son consistentes con que el GRB se haya originado en regiones de formación estelar. [ 78 ]

En diciembre de 2022, los astrónomos informaron la observación de GRB  211211A durante 51 segundos, la primera evidencia de un GRB largo probablemente asociado con fusiones de "objetos binarios compactos" como estrellas de neutrones o enanas blancas . [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] Posteriormente, se ha argumentado que GRB  191019A (2019, 64 s) [ 82 ] y GRB 230307A (2023, 35 s) [ 83 ] [ 84 ] significan una clase emergente de GRB largos que pueden originarse a partir de este tipo de eventos progenitores. [ 85 ]

Estallidos de rayos gamma ultralargos

Los ulGRB se definen como GRB que duran más de 10 000 segundos, cubriendo el rango superior hasta el límite de la distribución de duración de los GRB. Se ha propuesto que formen una clase separada, causada por el colapso de una estrella supergigante azul , [ 86 ] un evento de disrupción de marea [ 87 ] [ 88 ] o un magnetar recién nacido . [ 87 ] [ 89 ] Solo se ha identificado un pequeño número hasta la fecha, su característica principal es la duración de su emisión de rayos gamma. Los eventos ultralargos más estudiados incluyen GRB 101225A y GRB 111209A . [ 88 ] [ 90 ] [ 91 ] La baja tasa de detección puede ser resultado de la baja sensibilidad de los detectores actuales a eventos de larga duración, en lugar de un reflejo de su verdadera frecuencia. [ 88 ] Un estudio de 2013, [ 92 ] por otro lado, muestra que la evidencia existente de una población separada de GRB ultralargos con un nuevo tipo de progenitor no es concluyente, y se necesitan más observaciones de múltiples longitudes de onda para llegar a una conclusión más firme.

Energéticos

Ilustración artística de una brillante explosión de rayos gamma que ocurre en una región de formación estelar. La energía de la explosión se concentra en dos chorros estrechos que apuntan en direcciones opuestas.

Los estallidos de rayos gamma son muy brillantes cuando se observan desde la Tierra a pesar de sus distancias típicamente inmensas. Un GRB largo promedio tiene un flujo bolométrico comparable al de una estrella brillante de nuestra galaxia a pesar de una distancia de miles de millones de años luz (en comparación con unas pocas decenas de años luz para la mayoría de las estrellas visibles). La mayor parte de esta energía se libera en rayos gamma, aunque algunos GRB también tienen contrapartes ópticas extremadamente luminosas. GRB 080319B , por ejemplo, estuvo acompañado por una contraparte óptica que alcanzó una magnitud visible máxima de 5,8, [ 93 ] comparable a la de las estrellas más tenues a simple vista a pesar de la distancia del estallido de 7.500  millones de años luz. Esta combinación de brillo y distancia implica una fuente extremadamente energética. Suponiendo que la explosión de rayos gamma sea esférica, la energía liberada por GRB 080319B estaría dentro de un factor de dos de la energía de masa en reposo del Sol (la energía que se liberaría si el Sol se convirtiera completamente en radiación). [ 47 ]

Se cree que los estallidos de rayos gamma son explosiones altamente focalizadas, con la mayor parte de la energía de la explosión colimada en un chorro estrecho . [ 94 ] [ 95 ] Los chorros de los estallidos de rayos gamma son ultrarrelativistas y son los chorros más relativistas del universo. [ 96 ] [ 97 ] La materia en los chorros de los estallidos de rayos gamma también puede volverse superlumínica , o más rápida que la velocidad de la luz en el medio del chorro, con efectos de reversibilidad temporal . [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] El ancho angular aproximado del chorro (es decir, el grado de dispersión del haz) se puede estimar directamente observando las "rupturas del chorro" acromáticas en las curvas de luz del resplandor posterior: un tiempo después del cual el resplandor posterior de decaimiento lento comienza a desvanecerse rápidamente a medida que el chorro se ralentiza y ya no puede emitir su radiación con tanta eficacia. [ 101 ] [ 102 ] Las observaciones sugieren una variación significativa en el ángulo del chorro de entre 2 y 20 grados. [ 103 ]

Debido a que su energía está fuertemente concentrada, se espera que los rayos gamma emitidos por la mayoría de los estallidos no alcancen la Tierra y nunca sean detectados. Cuando un estallido de rayos gamma apunta hacia la Tierra, la concentración de su energía a lo largo de un haz relativamente estrecho hace que el estallido parezca mucho más brillante de lo que habría sido si su energía se emitiera esféricamente. La energía total de los estallidos de rayos gamma típicos se ha estimado en 3 × 10 44  J, – que es mayor que la energía total (10 44 J) de las supernovas ordinarias (tipo Ia , Ibc , II ), [ 103 ] siendo los estallidos de rayos gamma también más potentes que la supernova típica. [ 104 ] Se ha observado que supernovas muy brillantes acompañan a varios de los GRB más cercanos. [ 39 ] Más evidencia del enfoque de la salida de los GRB proviene de observaciones de fuertes asimetrías en los espectros de supernovas de tipo Ic cercanas [ 105 ] y de observaciones de radio tomadas mucho después de los estallidos cuando sus chorros ya no son relativistas. [ 106 ]  

El descubrimiento de GRB 190114C sugiere que las observaciones previas podrían haber subestimado la energía total emitida por los GRB. [ 107 ] Las mediciones indican que la energía liberada en rayos gamma de muy alta energía podría ser comparable a la energía combinada emitida en todas las longitudes de onda más bajas. [ 108 ]

Los GRB cortos (de duración) parecen provenir de una población de menor corrimiento al rojo (es decir, menos distante) y son menos luminosos que los GRB largos. [ 109 ] El grado de colimación en los estallidos cortos no se ha medido con precisión, pero como población es probable que estén menos colimados que los GRB largos [ 110 ] o posiblemente no estén colimados en absoluto en algunos casos. [ 111 ]

Progenitores

Imagen del Telescopio Espacial Hubble de la estrella Wolf-Rayet WR 124 y su nebulosa circundante. Las estrellas Wolf-Rayet son candidatas a ser progenitoras de estallidos de rayos gamma de larga duración.

Debido a las inmensas distancias de la mayoría de las fuentes de estallidos de rayos gamma a la Tierra, la identificación de los progenitores, los sistemas que producen estas explosiones, es un desafío. La asociación de algunos GRB largos con supernovas y el hecho de que sus galaxias anfitrionas estén formando estrellas rápidamente ofrecen una evidencia muy sólida de que los estallidos de rayos gamma largos están asociados con estrellas masivas. El mecanismo más ampliamente aceptado para el origen de los GRB de larga duración es el modelo de colapso , [ 112 ] en el que el núcleo de una estrella extremadamente masiva, de baja metalicidad y de rápida rotación colapsa en un agujero negro en las etapas finales de su evolución . La materia cercana al núcleo de la estrella cae hacia el centro y gira formando un disco de acreción de alta densidad . La caída de este material en un agujero negro impulsa un par de chorros relativistas a lo largo del eje de rotación, que golpean a través de la envoltura estelar y finalmente atraviesan la superficie estelar y se irradian como rayos gamma. Algunos modelos alternativos reemplazan el agujero negro con un magnetar recién formado , [ 113 ] [ 114 ] aunque la mayoría de los demás aspectos del modelo (el colapso del núcleo de una estrella masiva y la formación de chorros relativistas) son los mismos.

Los análogos más cercanos dentro de la Vía Láctea de las estrellas que producen estallidos de rayos gamma largos son probablemente las estrellas Wolf-Rayet , estrellas extremadamente calientes y masivas, que han perdido la mayor parte o la totalidad de su envoltura de hidrógeno. Eta Carinae , Apep y WR 104 han sido citadas como posibles progenitoras de futuros estallidos de rayos gamma. [ 115 ] No está claro si alguna estrella en la Vía Láctea tiene las características apropiadas para producir un estallido de rayos gamma. [ 116 ]

El modelo de estrella masiva probablemente no explica todos los tipos de estallidos de rayos gamma. Hay evidencia fuerte de que algunos estallidos de rayos gamma de corta duración ocurren en sistemas sin formación estelar y sin estrellas masivas, como galaxias elípticas y halos galácticos . [ 109 ] La hipótesis favorecida para el origen de la mayoría de los estallidos de rayos gamma cortos es la fusión de un sistema binario que consiste en dos estrellas de neutrones. Según este modelo, las dos estrellas en un sistema binario giran lentamente una hacia la otra porque la radiación gravitacional libera energía [ 117 ] [ 118 ] hasta que las fuerzas de marea repentinamente desgarran las estrellas de neutrones y colapsan en un solo agujero negro. La caída de materia en el nuevo agujero negro produce un disco de acreción y libera un estallido de energía, análogo al modelo de colapso. También se han propuesto numerosos otros modelos para explicar los estallidos de rayos gamma cortos, incluyendo la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, el colapso inducido por acreción de una estrella de neutrones o la evaporación de agujeros negros primordiales . [ 119 ] [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]

Una explicación alternativa propuesta por Friedwardt Winterberg es que, en el curso de un colapso gravitacional y al alcanzar el horizonte de sucesos de un agujero negro, toda la materia se desintegra en una explosión de radiación gamma. [ 123 ]

Eventos de alteración de las mareas

Esta clase de eventos similares a GRB fue descubierta por primera vez mediante la detección de Swift J1644+57 (originalmente clasificado como GRB 110328A) por la Misión Swift de Estallidos de Rayos Gamma el 28 de marzo de 2011. Este evento tuvo una duración de rayos gamma de aproximadamente 2 días, mucho más larga que incluso los GRB ultralargos, y fue detectado en muchas frecuencias durante meses y años después. Ocurrió en el centro de una pequeña galaxia elíptica a un corrimiento al rojo de 3.800 millones de años luz de distancia. Este evento ha sido aceptado como un evento de disrupción de marea (TDE), donde una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo , destrozándola. En el caso de Swift J1644+57, se lanzó un chorro astrofísico que viajaba a una velocidad cercana a la de la luz y duró aproximadamente 1,5 años antes de apagarse. [ 124 ]

Desde 2011, solo se han descubierto 4 TDE con chorros, de los cuales 3 fueron detectados en rayos gamma (incluido Swift J1644+57). [ 125 ] Se estima que solo el 1% de todos los TDE son eventos con chorros. [ 125 ]

Mecanismos de emisión

Mecanismo de explosión de rayos gamma

El modo en que los estallidos de rayos gamma convierten la energía en radiación sigue siendo poco comprendido, y en 2010 todavía no existía un modelo generalmente aceptado sobre cómo ocurre este proceso. [ 126 ] Cualquier modelo exitoso de emisión de GRB debe explicar el proceso físico para generar emisión de rayos gamma que coincida con la diversidad observada de curvas de luz, espectros y otras características. [ 127 ] Particularmente desafiante es la necesidad de explicar las eficiencias muy altas que se infieren de algunas explosiones: algunos estallidos de rayos gamma pueden convertir hasta la mitad (o más) de la energía de la explosión en rayos gamma. [ 128 ] Las primeras observaciones de las brillantes contrapartes ópticas de GRB 990123 y de GRB 080319B , cuyas curvas de luz ópticas fueron extrapolaciones de los espectros de luz de rayos gamma, [ 93 ] [ 129 ] han sugerido que la dispersión Compton inversa puede ser el proceso dominante en algunos eventos. En este modelo, los fotones de baja energía preexistentes son dispersados ​​por electrones relativistas dentro de la explosión, aumentando su energía en un factor grande y transformándolos en rayos gamma. [ 130 ]

La naturaleza de la emisión de resplandor posterior de longitud de onda más larga (que abarca desde rayos X hasta radio ) que sigue a los estallidos de rayos gamma se comprende mejor. Cualquier energía liberada por la explosión que no se irradia en el propio estallido toma la forma de materia o energía que se mueve hacia afuera a casi la velocidad de la luz. Cuando esta materia colisiona con el gas interestelar circundante , crea una onda de choque relativista que luego se propaga hacia adelante en el espacio interestelar. Una segunda onda de choque, la onda de choque inversa, puede propagarse de vuelta hacia la materia eyectada. Los electrones extremadamente energéticos dentro de la onda de choque son acelerados por fuertes campos magnéticos locales y se irradian como emisión de sincrotrón en la mayor parte del espectro electromagnético . [ 131 ] [ 132 ] Este modelo generalmente ha tenido éxito al modelar el comportamiento de muchos resplandores posteriores observados en tiempos tardíos (generalmente, de horas a días después de la explosión), aunque existen dificultades para explicar todas las características del resplandor posterior muy poco después de que haya ocurrido el estallido de rayos gamma. [ 133 ]

Tasa de aparición y posibles efectos en la vida

El 27 de octubre de 2015, a las 22:40 GMT, el satélite Swift de NASA/ASI/UKSA descubrió su explosión de rayos gamma número 1.000 (GRB). [ 134 ]

Los estallidos de rayos gamma pueden tener efectos dañinos o destructivos sobre la vida. Considerando el universo en su conjunto, los entornos más seguros para la vida similar a la de la Tierra son las regiones de menor densidad en las afueras de las grandes galaxias. Nuestro conocimiento de los tipos de galaxias y su distribución sugiere que la vida tal como la conocemos solo puede existir en aproximadamente el 10 % de todas las galaxias. Además, las galaxias con un corrimiento al rojo, z , superior a 0,5 no son aptas para la vida tal como la conocemos, debido a su mayor tasa de GRB y su compacidad estelar. [ 135 ] [ 136 ]

Todos los GRB observados hasta la fecha han ocurrido muy lejos de la Vía Láctea y han sido inofensivos para la Tierra. Si un GRB ocurriera dentro de la Vía Láctea a una distancia de entre 5000 y 8000 años luz [ 137 ] y su emisión se dirigiera directamente hacia la Tierra, los efectos podrían ser dañinos y potencialmente devastadores para sus ecosistemas . Actualmente, los satélites en órbita detectan en promedio aproximadamente un GRB por día. El GRB más cercano observado hasta marzo de 2014 fue GRB 980425 , ubicado a 40 megaparsecs (130 000 000 años luz) [ 138 ] de distancia ( z = 0,0085) en una galaxia enana de tipo SBc. [ 139 ] GRB 980425 fue mucho menos energético que el GRB promedio y estuvo asociado con la supernova de tipo Ib SN 1998bw . [ 140 ] 

Estimar la tasa exacta de ocurrencia de GRB es difícil; para una galaxia de tamaño similar a la Vía Láctea , las estimaciones de la tasa esperada (para GRB de larga duración) pueden variar desde un estallido cada 10 000 años hasta un estallido cada 1 000 000 de años. [ 141 ] Solo un pequeño porcentaje de estos se dirigiría hacia la Tierra. Las estimaciones de la tasa de ocurrencia de GRB de corta duración son aún más inciertas debido al grado desconocido de colimación, pero probablemente sean comparables. [ 142 ]

Dado que se cree que los GRB implican una emisión dirigida a lo largo de dos chorros en direcciones opuestas, solo los planetas en la trayectoria de estos chorros estarían sujetos a la radiación gamma de alta energía. [ 143 ] Un GRB podría potencialmente vaporizar cualquier cosa en la trayectoria de sus haces dentro de un rango de alrededor de 200 años luz. [ 144 ] [ 145 ]

Aunque los GRB cercanos que impactan la Tierra con una lluvia destructiva de rayos gamma son solo eventos hipotéticos, se ha observado que los procesos de alta energía en toda la galaxia afectan la atmósfera terrestre. [ 146 ]

Efectos en la Tierra

La atmósfera terrestre es muy eficaz absorbiendo radiación electromagnética de alta energía, como rayos X y rayos gamma, por lo que este tipo de radiación no alcanzaría niveles peligrosos en la superficie durante el estallido. El efecto inmediato sobre la vida en la Tierra de un estallido de rayos gamma dentro de unos pocos kilopársecs sería solo un breve aumento de la radiación ultravioleta a nivel del suelo, con una duración de entre menos de un segundo y decenas de segundos. Esta radiación ultravioleta podría alcanzar niveles peligrosos dependiendo de la naturaleza y la distancia exactas del estallido, pero parece improbable que pueda causar una catástrofe global para la vida en la Tierra. [ 147 ] [ 148 ]

Los efectos a largo plazo de una explosión cercana son más peligrosos. Los rayos gamma provocan reacciones químicas en la atmósfera que involucran moléculas de oxígeno y nitrógeno , creando primero óxido de nitrógeno y luego dióxido de nitrógeno . Los óxidos de nitrógeno causan efectos peligrosos en tres niveles. Primero, agotan la capa de ozono , con modelos que muestran una posible reducción global del 25-35%, llegando hasta el 75% en ciertas ubicaciones, un efecto que duraría años. Esta reducción es suficiente para causar un índice UV peligrosamente elevado en la superficie. En segundo lugar, los óxidos de nitrógeno causan smog fotoquímico , que oscurece el cielo y bloquea partes del espectro de la luz solar . Esto afectaría la fotosíntesis , pero los modelos muestran solo una reducción de alrededor del 1% del espectro total de la luz solar, que duraría unos pocos años. El smog podría potencialmente causar un efecto de enfriamiento en el clima de la Tierra, produciendo un "invierno cósmico" (similar a un invierno de impacto , pero sin impacto), pero solo si ocurre simultáneamente con una inestabilidad climática global. En tercer lugar, los elevados niveles de dióxido de nitrógeno en la atmósfera se evaporarían y producirían lluvia ácida . El ácido nítrico es tóxico para diversos organismos, incluidos los anfibios, pero los modelos predicen que no alcanzaría niveles que causaran un efecto global grave. De hecho, los nitratos podrían ser beneficiosos para algunas plantas. [ 147 ] [ 148 ]

En resumen, un estallido de rayos gamma (GRB) a pocos kiloparsecs, con su energía dirigida hacia la Tierra, dañará principalmente la vida al elevar los niveles de radiación ultravioleta (UV) durante el propio estallido y durante algunos años posteriores. Los modelos muestran que los efectos destructivos de este aumento pueden causar hasta 16 veces los niveles normales de daño al ADN. Ha resultado difícil realizar una evaluación fiable de las consecuencias de esto en el ecosistema terrestre, debido a la incertidumbre en los datos biológicos de campo y de laboratorio. [ 147 ] [ 148 ]

Efectos hipotéticos en la Tierra en el pasado

Hay una probabilidad muy alta (aunque no certeza) de que al menos un GRB letal haya ocurrido durante los últimos 5 mil millones de años lo suficientemente cerca de la Tierra como para dañar significativamente la vida. Hay un 50 % de probabilidad de que un GRB letal de este tipo haya ocurrido a menos de dos kiloparsecs de la Tierra durante los últimos 500 millones de años. [ 149 ] [ 16 ]

La extinción masiva del Ordovícico hace 450 millones de años pudo haber sido causada por un GRB. [ 14 ] [ 150 ] Las estimaciones sugieren que aproximadamente entre el 20 y el 60 % de la biomasa total de fitoplancton en los océanos del Ordovícico habría perecido en un GRB, porque los océanos eran mayoritariamente oligotróficos y claros. [ 15 ] Las especies de trilobites del Ordovícico tardío que pasaban parte de su vida en la capa de plancton cerca de la superficie del océano se vieron mucho más afectadas que las que habitaban aguas profundas, que tendían a permanecer en áreas bastante restringidas. Esto contrasta con el patrón habitual de los eventos de extinción, en el que las especies con poblaciones más dispersas suelen tener mejor suerte. Una posible explicación es que los trilobites que permanecían en aguas profundas estarían más protegidos de la mayor radiación UV asociada con un GRB. También apoya esta hipótesis el hecho de que, durante el Ordovícico tardío, las especies de bivalvos excavadores tenían menos probabilidades de extinguirse que los bivalvos que vivían en la superficie. [ 13 ]

Se ha argumentado que el pico de carbono-14 de 774-775 fue el resultado de un GRB corto, [ 151 ] [ 152 ] aunque una erupción solar muy fuerte es otra posibilidad. [ 153 ]

Candidatos a GRB en la Vía Láctea

Ilustración de una breve explosión de rayos gamma causada por una estrella en colapso [ 154 ]

No se han observado estallidos de rayos gamma dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea , [ 155 ] y la cuestión de si alguna vez ocurrió alguno sigue sin resolverse. A la luz de la comprensión cada vez mayor de los estallidos de rayos gamma y sus progenitores, la literatura científica registra un número creciente de candidatos a GRB locales, pasados ​​y futuros. Los GRB de larga duración están relacionados con supernovas superluminosas, o hipernovas, y se cree que la mayoría de las variables azules luminosas (LBV) y las estrellas Wolf-Rayet de rápida rotación terminan sus ciclos de vida en supernovas de colapso de núcleo con un GRB de larga duración asociado. Sin embargo, el conocimiento de los GRB proviene de galaxias pobres en metales de épocas pasadas de la evolución del universo , y es imposible extrapolar directamente para abarcar galaxias más evolucionadas y entornos estelares con una metalicidad más alta , como la Vía Láctea. [ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Una excepción notable es el evento del 5 de marzo de 1979, un estallido extremadamente brillante que se localizó con éxito en el remanente de supernova N49 en la Gran Nube de Magallanes . Este evento ahora se interpreta como un destello gigante de magnetar , más relacionado con los destellos de rayos gamma subtropicales que con los estallidos de rayos gamma "verdaderos".
  2. ↑ Los GRB se nombran según la fecha de su descubrimiento: los dos primeros dígitos corresponden al año, seguidos del mes y el día (también de dos dígitos) y una letra que indica el orden en que fueron detectados ese día. La letra «A» se añade al nombre del primer estallido identificado, la «B» al segundo, y así sucesivamente. Para los estallidos anteriores al año 2010, esta letra solo se añadía si se producía más de un estallido ese día.
  3. ↑ La duración de una explosión se suele medir mediante T90, que es la duración del período durante el cual se emite el 90 por ciento de la energía de la explosión . Recientemente, se ha demostrado que algunas explosiones de rayos gamma (GRB) que de otro modo serían "cortas" van seguidas de un segundo episodio de emisión mucho más largo que, al incluirse en la curva de luz de la explosión, da como resultado duraciones T90 de hasta varios minutos: estos eventos solo son cortos en el sentido literal cuando se excluye este componente.

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Lecturas adicionales

  • Vedrenne, Gilbert; Atteia, Jean-Luc (2009). Estallidos de rayos gamma: Las explosiones más brillantes del universo . Berlín: Springer . ISBN 978-3-540-39085-5.
  • Kouveliotou, Chryssa; Wijers, Ralph AMJ; Woosley, Stan, eds. (2012). Explosiones de rayos gamma . Cambridge: Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 978-0-521-66209-3.
  • Zhang, Bing (2019). La física de las explosiones de rayos gamma . Cambridge: Cambridge University Press . ISBN 978-1-107-02761-9.
Sitios de misión GRB
  • Misión de detección de ráfagas de rayos gamma Swift :
    • Página web oficial del sistema Swift de la NASA
    • Centro de datos Swift Science del Reino Unido
    • Centro de Operaciones de Misión Swift en Penn State
  • HETE-2: Explorador de Transitorios de Alta Energía ( Entrada de Wiki )
  • INTEGRAL: Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma ( Entrada de Wiki )
  • BATSE: Explorador de fuentes transitorias y de ráfagas
  • Telescopio espacial de rayos gamma Fermi Archivado el 1 de julio de 2023 en Wayback Machine ( Entrada de Wiki )
  • ÁGIL: Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero ( Entrada Wiki )
  • EXIST: Telescopio de sondeo de rayos X energéticos. Archivado el 4 de abril de 2009 en Wayback Machine.
  • Catálogo de estallidos de rayos gamma de la NASA
Programas de seguimiento de GRB
  • Red de Coordenadas de Estallidos de Rayos Gamma (GCN) ( Entrada de Wiki )
  • BOOTES: Burst Observer and Optical Transient Exploring System (Observador de ráfagas y sistema de exploración de transitorios ópticos) Archivado el 23/04/2013 en Wayback Machine ( Entrada de Wiki )
  • GROND: Detector óptico de infrarrojo cercano de ráfagas de rayos gamma ( Entrada de Wiki )
  • KAIT: El Telescopio de Imágenes Automáticas Katzman ( Entrada de Wikipedia )
  • MASTER: Sistema Astronómico Móvil de Telescopios-Robots
  • ROTSE: Experimento de búsqueda de transitorios ópticos robóticos ( Entrada de Wiki )