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Astrónomos detectan la explosión de rayos gamma más potente jamás registrada

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Concepto artístico de una supernova, una de las fuentes más poderosas de ráfagas de rayos gamma.
Imagen: DESY, Science Communication Lab

Un equipo internacional de astrónomos ha detectado dos estallidos de rayos gamma más potentes que cualquier cosa que se haya visto antes. Las ráfagas de rayos gamma ya son las explosiones más fuertes conocidas en el cosmos, pero estas últimas observaciones sugieren que hemos subestimado significativamente su verdadero potencial.

Tres nuevos artículos publicados hoy en Nature describen dos nuevos estallidos de rayos gamma: GRB 190114C y GRB 180720B. Ambos produjeron los fotones de mayor energía jamás registrados para eventos de este tipo. Las observaciones sin precedentes están arrojando nueva luz, literalmente, sobre estos misteriosos eventos cósmicos y las mecánicas detrás de ellos.

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Se cree que los estallidos de rayos gamma se desencadenan cuando gigantescas estrellas colapsan en agujeros negros, ocasionando una supernova. La explosión resultante produce un potente chorro concentrado que dispara material al espacio al 99,99% de la velocidad de la luz. Las partículas que aceleran rápidamente dentro del chorro producen rayos gamma a través de interacciones complejas con campos magnéticos y radiación. Los rayos gamma resultantes continúan viajando a través del espacio interestelar, y en ocasiones llegan a la Tierra. Cuando entran en contacto con nuestra atmósfera, los rayos gamma desencadenan una cascada de partículas que a su vez genera un fenómeno conocido como luz de Cherenkov, que puede detectarse mediante telescopios especialmente equipados.

Los astrónomos llevan estudiando los estallidos de rayos gamma durante más de 50 años, pero todavía hay mucho que aprender. Entre esas asignaturas pendientes están los datos que expliquen cómo nacen los rayos gamma en primer lugar, y los fenómenos físicos que tienen lugar cuando los materiales son expulsados de los agujeros negros a velocidades tan extremas. Andrew Levan, profesor de astronomía en la Universidad de Warwick y coautor de uno de los nuevos estudios explica que los estallidos recientemente detectados, con sus energías sin precedentes, son de gran ayuda en este sentido.

Estas nuevas observaciones elevan el rango de energía sobre el cual podemos observar los rayos gamma y revelan un nuevo componente de la emisión que no habíamos visto antes. Son una demostración fantástica de la tecnología que permite a los telescopios detectar este tipo de luz, pero lo más importante es que ofrecen una nueva forma de entender la física en las condiciones más extremas de la naturaleza.

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De hecho, estas observaciones no hubieran sido posibles sin una tecnología realmente impresionante. Las energías de los estallidos de rayos gamma descritas en los nuevos documentos se midieron observando sus efectos en nuestra atmósfera. Cuando los rayos gamma surcan nuestros cielos, empujan grandes cantidades de partículas, produciendo una especie de lluvia de aire. Moviéndose a velocidades relativistas, estas lluvias generan un resplandor azulado detectable, llamado luz de Cherenkov, que puede ser detectado por los telescopios Cherenkov.

Imagen artística que muestra varios telescopios especialmente equipados para detectar la luz de Cherenkov generada por los estallidos de rayos gamma y cuyo resplandor es azul.
Imagen: DESY, Science Communication Lab
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En este caso, esos telescopios fueron el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS) de Namibia, y el Gran Cherenkov de Imágenes Gamma Atmosféricas (MAGIC), situado en las Islas Canarias, ambos operados por la Sociedad Max Planck. Antes se habían empleado satélites para observar la luz de Cherenkov, pero sus instrumentos no son lo suficientemente sensibles como para detectar eventos de muy alta energía porque, paradójicamente, producen poca luz.

El primero de estos eventos de alta energía, GRB 180720B, ocurrió el 20 de julio de 2018, y se describe en un documento dirigido por astrónomos del Instituto Max Planck, Deutsches Elektronen-Synchotron (DESY), del Centro Internacional de Investigación de Radio Astronomía ( ICRAR), y de varias otras instituciones. El segundo evento, denominado GRB 190114C, ocurrió el 14 de enero de 2019, y se describe en dos nuevos documentos (aquí y aquí), ambos dirigidos por Razmik Mirzoyan del Instituto Max Planck de Física. Más de 300 científicos de todo el mundo participaron en la investigación. Levan explica:

Lo sorprendente de estas explosiones en particular no es la cantidad de energía que emiten en total, sino la energía que vemos de los fragmentos individuales de luz. Podemos pensar en la luz como en un chorro compuesto de pequeñas partículas llamadas fotones. Cada uno de estos fotones transporta una energía. Por lo general, medimos esa energía en una unidad llamada electrón voltio, que es la energía que un solo electrón obtendría al moverse a través de 1 voltio.

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Los fotones que nos rodean, los que vemos con nuestros ojos, normalmente contienen alrededor de 1 electrón voltio de energía, pero los fotones de GRB 190114C, medidos por MAGIC, transportan más de 1 teraelectrón voltio (TeV), que es mil millones de veces más energía de la que somos capaces de apreciar con nuestros ojos. Por ponerlo en perspectiva, uno de los estallidos de rayor gamma récord que tuvo lugar en 2013 alcanzó los 94 mil millones de electronvoltios, o 0.094 TeV.

Es un poco como tener 10 centavos a tu nombre cuando la persona que está a tu lado es Bill Gates. Como era de esperar, si un fotón tiene tanta energía, puede hacer cosas diferentes igual que puedes llevar una vida muy diferente con 100 mil millones de dólares en lugar de con 10 centavos. Esta luz tan enérgica realmente nos proporciona una nueva ventana al Universo.

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Imagen conceptual que muestra el observatorio MAGIC escaneando los cielos en busca de estallidos de rayos gamma.
Imagen: Superbossa.com and C. Righi.

Los datos recopilados por MAGIC mostraron que las energías de GRB 190114C estaban entre 200.000 millones y 1 billón electron voltios, o 0.2 a 1 teraelectrón voltios. Este es, por ahora, el evento de rayos gamma más fuerte jamás detectado. Las observaciones de los observatorios de apoyo ubicaron la distancia de este estallido a alrededor de 4 mil millones de años luz de la Tierra. El evento anterior (GRB 180720B) medido por HESS, fue ligeramente más débil, registrando energías entre 100.000 millones y 440 mil millones de voltios de electrones, o 0.1 a 0.44 TeV. Se estima que está a 6 mil millones de años luz de distancia de nuestro planeta.

Lo que más me sorprende de estas observaciones es que finalmente hemos logrado ver una emisión de alta energía después de más de una década de esfuerzos. Además de estos dos eventos, se grabó otro gran estallido el verano pasado, cuyos detalles aún no se han publicado. Esto significa que, en lugar de ser muy raro, este tipo de emisiones podrían ser bastante comunes en los estallidos de rayos gamma. Es realmente sorprendente que hayamos tenido que esperar tanto tiempo para que las condiciones tecnológicas sean las adecuadas para encontrar esta luz excepcionalmente enérgica.

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Los nuevos estudios, además de caracterizar los nuevos estallidos, también presentaron nuevas explicaciones a los fotones de alta energía, que se supone que se producen mediante un proceso de dos pasos conocido como dispersión inversa de Compton. Al principio, las partículas que aceleran rápidamente rebotan en el fuerte campo magnético dentro de la explosión, lo que resulta en radiación sincrotrón (sí, el mismo tipo de radiación producida en los sincrotrones y otros aceleradores de partículas en la Tierra, pero ahí es donde termina la comparación). Después, en una segunda etapa, los fotones sincrotrón se estrellan contra las partículas rápidas que los crearon, aumentando sus energías a las tasas extremas registradas en la atmósfera de la Tierra.

Diagrama que muestra como se forma un estallido de rayos gamma desde un agujero negro.
Imagen: NASA’s Goddard Space Flight Center
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Los satélites registran estos estallidos casi a diario, pero en realidad son bastante raros desde una perspectiva cosmológica, y gracias a Dios por eso. La astrónoma Gemma Anderson, coautora del estudio en el Centro Internacional de Investigación de Radioastronomía de la Universidad de Curtin, pone la potencia de estos fenómenos en perspectiva: “Un estallido típico libera tanta energía en unos segundos como lo hará el Sol en toda su vida útil de 10 mil millones de años.” Si una explosión de rayos gamma tuviera lugar en nuestro vecindario cósmico y su chorro se enfocara directamente en la Tierra, podría desencadenar una extinción masiva. Como Levan explicó a Gizmodo, semejante evento podría haber sucedido ya en el pasado antiguo de la Tierra.

Hay un evento de extinción masiva que podemos ver en el registro geológico. Se trata de la extinción Ordovícica, y coincide con lo que esperaríamos de un estallido de rayos gamma. Si un evento así ocurriera lo suficientemente cerca de la Tierra como para afectarnos ahora, tendríamos algunos efectos... digamos... paradójicos.

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En primer lugar, la capa de ozono sería destruida por los rayos gamma, permitiendo que grandes cantidades de luz ultravioleta llegara a la superficie. La luz visible, por el contrario, probablemente quedaría bloqueada debido a la destrucción de moléculas clave en la atmósfera y a la presencia de óxidos nitrosos. Todo ello bloquearía la luz solar provocando una edad de hielo. Este doble golpe de efectos atmosféricos sería realmente malo para la vida en la Tierra.

Esta descripción es consistente con lo que se registró hace 440 millones de años durante la extinción Ordovícica, aunque no es la única explicación posible. Sin embargo, para afectarnos, una explosión de rayos gamma tendría que estar lo suficientemente cerca y con su chorro apuntando directamente hacia nosotros. Las observaciones sugieren que los estallidos de rayos gamma son realmente muy raros en la Vía Láctea. Realmente no esperamos ser afectados significativamente por estos fenómenos con una frecuencia mayor que cada mil millones de años más o menos, no hay razón para perder el sueño por la posibilidad.

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Una vez cada mil millones de años, ¿eh? Me gustan esas probabilidades.

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