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Descubren qué produce la misteriosa señal de radio que proviene del exterior de nuestra galaxia: un magnetar

Impresión artística de un estallido de magnetar, que muestra el campo magnético del objeto y la emisión de haz bidireccional, después de estallar a partir de una grieta en la corteza.
Impresión artística de un estallido de magnetar, que muestra el campo magnético del objeto y la emisión de haz bidireccional, después de estallar a partir de una grieta en la corteza.
Imagen: McGill University Graphic Design Team.

Por primera vez en la historia, los astrónomos han relacionado un objeto real con esas misteriosas señales de radio que han estado detectando desde 2007. El culpable en este caso, como se sospechaba, es un objeto superdenso conocido como magnetar, pero el hallazgo ha provocado un conjunto de nuevas preguntas.

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En los últimos años, los científicos han detectado cientos de pulsos potentes de milisegundos de duración conocidos como Fast Radio Bursts (pulsos rápidos de radio, o FRB, según sus siglas en inglés), todos ellos provenientes del exterior de nuestra galaxia. Pero el 28 de abril de 2020 sucedió algo increíble: los astrofísicos recogieron un FRB del interior de la Vía Láctea, un evento que provocó mucha emoción y conversación.

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Esta señal en particular, denominada FRB 200428, pareció originarse en una estrella de neutrones altamente magnética conocida como magnetar SGR 1935+2154. Que los dos podrían estar conectados se consideró solo una posibilidad en ese momento, y después de recopilar, inspeccionar, hacer referencias cruzadas y corregir todos los datos astronómicos disponibles, tres equipos independientes de científicos ahora han confirmado que es así. Los magnetares, como concluyen estos tres nuevos estudios de Nature, son una posible fuente de FRBs.

Hasta este momento, “no ha habido evidencia de observación que vincule directamente a los FRB con magnetares”, escribieron Amanda Weltman y Anthony Walters, ambos astrofísicos de la Universidad de Cape Town, Sudáfrica, en un artículo adjunto de News and Views. “La detección informada en los tres nuevos artículos ofrece la primera evidencia de este tipo, proporcionando así pistas vitales que nos ayudarán a comprender los orígenes de al menos algunos FRB”, según los astrofísicos, que no participaron en la nueva investigación.

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La confirmación fue posible gracias a la cooperación internacional y a la puesta en común de datos recopilados por múltiples observatorios, algunos en tierra y otros en el espacio. Y debido a que el FRB galáctico coincidió con estallidos de rayos gamma y rayos X, los astrofísicos han obtenido una nueva pista importante en su búsqueda para aprender más sobre este extraño fenómeno celestial.

Al principio, los científicos pensaron que estos pulsos brillantes de ondas de radio eran eventos únicos, pero se encontró que algunos se repetían. Esto significaba que los FRB, o al menos algunos FRB, no eran el producto de eventos catastróficos. Aún así, algunas de las fuentes favoritas de estas explosiones incluyeron estrellas de neutrones, explosiones de supernovas o interacciones desconocidas con agujeros negros. El hecho de que los FRB provinieran exclusivamente de fuentes fuera de nuestra galaxia fue una limitación seria, ya que viajaban desde muy lejos. De ahí la importancia de FRB 200428.

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“Hasta ahora, todas las FRB que los telescopios han captado estaban en otras galaxias, lo que las hace bastante difíciles de estudiar con gran detalle”, explicó Ziggy Pleunis, estudiante de doctorado de la Universidad McGill en Montreal y co-autor del nuevo estudio producido por la colaboración CHIME (Experimento canadiense de mapeo de la intensidad del hidrógeno).

El telescopio CHIME.
El telescopio CHIME.
Imagen: Andre Renard / CHIME Collaboration.
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Esta historia comienza el 27 de abril, el día antes del FRB galáctico. Dos telescopios espaciales, el Observatorio Swift Neil Gehrels y el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, recogieron múltiples ráfagas, tanto en rayos X como en rayos gamma, provenientes de la dirección del magnetar SGR 1935+2154.

El día siguiente llegó lo bueno, cuando los astrónomos de CHIME detectaron el pulso de radio brillante. El observatorio CHIME está ubicado en la provincia canadiense de Columbia Británica y consta de 100 reflectores parabólicos.

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El mismo día, los científicos de STARE2 captaron lo mismo. STARE2 consta de tres estaciones ubicadas en el suroeste de Estados Unidos.

En una conferencia de prensa celebrada el lunes 2 de noviembre, Christopher Bochenek, un astrofísico de STARE2 y el primer autor del estudio de su equipo sobre el hallazgo, dijo que estaba “paralizado por la emoción” cuando vio los datos por primera vez. El estallido fue tan fuerte, dijo, que podría haber sido detectado por un teléfono celular sintonizado en la frecuencia correcta en el momento adecuado. Más específicamente, la cantidad de energía de radio empaquetada en este único pulso brillante es igual a la cantidad de energía de radio producida por el Sol cada 30 segundos, dijo Bochenek, investigador del Instituto de Tecnología de California, Estados Unidos.

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Sin embargo, hubo una extraña discrepancia en los datos, ya que la señal recibida por STARE2 fue 1.000 veces más brillante que la señal recibida por CHIME. Los dos grupos investigaron la disparidad y descubrieron que la culpa era de un problema de calibración en CHIME. Una vez corregidos, los datos de CHIME coincidieron con las observaciones de STARE2, destacando la importancia de recopilar datos astronómicos de múltiples fuentes. Ambos equipos concluyeron de forma independiente que FRB 200428 se originó a partir del magnetar SGR 1935+2154, que se encuentra a 30.000 años luz de distancia.

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Como señaló Bochenek, CHIME registró dos ráfagas discretas separadas por 30 milisegundos, mientras que STARE2 vio solo una, pero esto es de esperar, dadas las diferencias en los sistemas. Gracias a CHIME, “sabemos de dónde venía”, y gracias a STARE2, “sabíamos lo brillante que era”, dijo. En conjunto, este es ahora “el primer FRB que proviene de un objeto conocido”, explicó Bochenek.

Tres telescopios espaciales también recogieron señales de rayos X provenientes del magnetar durante la explosión, específicamente el telescopio espacial INTEGRAL de la ESA, el telescopio espacial Insight de China y el instrumento Konus de Rusia a bordo del satélite WIND de la NASA. En total, cinco observatorios diferentes capturaron el evento de alguna forma.

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El radiotelescopio FAST de 500 metros en Guizhou, China.
El radiotelescopio FAST de 500 metros en Guizhou, China.
Imagen: Bojun Wang, Jinchen Jiang with post processing by Qisheng Cui.

También el 28 de abril, el mismo fragmento del cielo fue escaneado por el telescopio esférico de apertura de quinientos metros (FAST) de China, pero no en el momento exacto en que apareció el FRB 200428. Los datos recopilados durante el mismo día, sin embargo, mostraron que la magnetar se había vuelto bastante activa, emitiendo 29 repetidores gamma suaves (grandes explosiones de rayos gamma y rayos X) durante unos 30 minutos. No se detectaron FRB durante esta fase de estallido, lo que ofrece nuevas y tentadoras pistas sobre la naturaleza y las circunstancias asociadas con las ráfagas de radio rápidas. Los detalles de estas observaciones se publicaron en un artículo dirigido por Bing Zhang de la Universidad de Nevada en Las Vegas. Zhang también es coautor de un cuarto artículo de este conjunto, que trata de los posibles mecanismos físicos detrás de los FRB.

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Como explicaron Weltman y Walters en su artículo de News and Views, FRB 200428 es el “primer FRB en el que se han detectado emisiones distintas de las ondas de radio, el primero que se encuentra en la Vía Láctea y el primero en asociarse con un magnetar”. Además, es el “estallido de radio más brillante de una magnetar galáctica que se ha medido hasta ahora”. Y debido a que FRB 200428 es el primer estallido de radio galáctico que es tan brillante como los que vienen de galaxias cercanas, “también proporciona evidencia necesaria de que los magnetares podrían ser la fuente de FRB extragalácticos”.

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Zhang, hablando en la conferencia de prensa, dijo que anteriormente no era optimista acerca de que los astrónomos encontraran una fuente de FRB, parecía poco probable. Pero este descubrimiento, “justo en nuestro patio trasero”, muestra que provienen de magnetares, dijo, y agregó que los magnetares pueden explicar algunos y posiblemente todos los FRB observados en el universo, “pero podría haber más de un progenitor”.

De hecho, quedan algunas dudas muy importantes. No está claro, por ejemplo, si los magnetares son la única fuente de FRB y si otros fenómenos celestes también pueden producir pulsos con las mismas características. Y como señaló Bochenek, será “importante precisar con qué frecuencia suceden estas cosas en el universo”.

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Además, los astrofísicos ahora tendrán que descubrir cómo los magnetares son capaces de producir estas poderosas y breves ráfagas de energía. Las teorías en marcha incluyen llamaradas de magnetar que se estrellan contra el medio circundante, causando una onda de choque o grietas que se forman en la superficie de estrellas de neutrones superdensas. En ese último punto, y aunque es difícil de creer, los FRB podrían incluso estar conectados a los terremotos de neutrones.

Por último, está el problema de los repetidores intermitentes. El FRB observado en la Vía Láctea no parece ser un repetidor, lo que “sugiere que hay una diferencia” y que “está pasando algo más”, dijo Bochenek. En la conferencia de prensa, el astrofísico Daniele Michille, coautor del artículo de CHIME, dijo que son posibles diferentes clases de fuentes de FRB. Zhang tiene la sensación de que sean repetidores, y que no somos capaces de detectar todas las ráfagas. Los magnetares, como señaló, no mueren después de emitir FRBs. Sin embargo, una fusión de estrellas de neutrones podría explicar un evento único, o una estrella de neutrones fusionándose con un agujero negro, los cuales posiblemente podrían producir FRBs y también resultar en la destrucción de la fuente. Pero es probable que solo una pequeña proporción de los FRB sean de naturaleza catastrófica y, por lo tanto, eventos únicos, según Zhang.

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En lo que concierne a comprender los FRB, todavía estamos limitados por la escasa cantidad de datos, los efectos de selección de observación problemáticos y las intensas distancias involucradas. La detección de un FRB galáctico en nuestra galaxia, y después asociarlo con un objeto conocido, representa un gran paso adelante, pero todavía hay mucho por descubrir. Sin embargo, lo que hemos aprendido sobre los FRB en los últimos 13 años es asombroso y debemos ser optimistas sobre lo que aprenderemos en las próximas décadas.

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