La cámara 3 de campo amplio del telescopio espacial Hubble reveló el resplandor infrarrojo (en un círculo) de BOAT GRB y su galaxia anfitriona, visto casi de lado como una banda de luz que se extiende desde la esquina superior izquierda del resplandor. La explosión ocurrió a unos 2 mil millones de años luz de distancia. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Universidad de Radboud); Procesamiento de imágenes: Gladys Kober
Hace cincuenta años, el 1 de junio de 1973, a los astrónomos de todo el mundo se les presentó un nuevo fenómeno poderoso y preocupante llamado GRB (explosiones gamma). Actualmente, los sensores en satélites en órbita como las misiones Swift y Fermi de la NASA detectan GRB en algún lugar del cielo en promedio una vez al día. Los astrónomos creen que las llamaradas son causadas por eventos catastróficos que involucran estrellas en galaxias distantes, eventos que se cree que crean nuevos agujeros negros.
“Todavía recuerdo la emoción del descubrimiento de los estallidos de rayos gamma”, dijo Charles Meegan, científico de la Universidad de Alabama en Huntsville que ayudó a desarrollar los detectores GRB en los satélites Compton y Fermi de la NASA. “Era un estudiante en ese momento, sin saber que investigar estos extraños eventos sería mi carrera durante los próximos 50 años”.
Llamaradas distantes
Con GRB, casi todo es extremo. Ocurren tan lejos más allá de nuestra galaxia que incluso la llamarada conocida más cercana explotó a más de 100 millones de años luz de distancia. Cada estallido produce un estallido inicial de rayos gamma, la forma de luz de mayor energía, que normalmente dura de milisegundos a minutos. Esta emisión proviene de una corriente de partículas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz disparada hacia nosotros, y cuanto más cerca miramos directamente al cañón, más brillante parece. Esta emisión inmediata es seguida por un resplandor desvaneciéndose de ondas gamma, de rayos X, ultravioleta, visibles, infrarrojas y de radio que los astrónomos pueden rastrear durante horas o meses.
Incluso medio siglo después, los GRB ofrecen sorpresas. Un estallido reciente fue tan brillante que cegó temporalmente a la mayoría de los detectores de rayos gamma en el espacio. Llamado BOAT (el más brillante de todos los tiempos), el estallido de 7 minutos puede haber sido el GRB más brillante de los últimos 10.000 años. También mostró que los modelos más prometedores de estos eventos creados por científicos aún no están casi terminados.
Observadores de armas nucleares
La historia del GRB comienza en octubre de 1963, cuando entró en vigor un tratado firmado por Estados Unidos, Gran Bretaña y la Unión Soviética que prohibía los ensayos de armas nucleares en la atmósfera, bajo el agua o en el espacio. Para garantizar el cumplimiento, la Fuerza Aérea de EE. UU. gestionó la investigación y el desarrollo no clasificados para detectar pruebas nucleares desde el espacio. Una semana después de que el tratado entrara en vigor, los dos primeros de estos satélites, llamados Vela (español para ‘observar’), entraron en funcionamiento.
Los satélites Vela lanzados por pares estaban equipados con detectores diseñados para detectar el destello inicial de rayos X y rayos gamma de explosiones nucleares. A veces se desencadenaron en eventos que aparentemente no eran pruebas nucleares, y los científicos recolectaron y analizaron estas observaciones. Gracias a instrumentos mejorados en los cuatro satélites Vela 5 y 6, Ray Klebesadel del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México, junto con sus colegas Ian Strong y Roy Olsen, determinaron las direcciones de 16 eventos de rayos gamma confirmados lo suficientemente bien como para descartar la Tierra. y el Sol como fuentes. Publicaron un artículo anunciando el descubrimiento en Revista de astrofísica 1 de junio de 1973
Usando un detector a bordo del satélite de llamaradas solares IMP 6, Tom Cline y Upendra Desai del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, confirmaron rápidamente los hallazgos de Vel.
Avances: BATSE y BeppoSAX
Si bien los teóricos han propuesto 100 modelos para explicar los GRB, la mayoría relacionados con estrellas de neutrones en nuestra propia galaxia, el progreso en las observaciones ha sido lento a pesar del creciente número de detecciones por parte de varias naves espaciales. Los rayos gamma no se pueden enfocar como la luz visible o los rayos X, lo que dificulta bastante la localización precisa. Sin ellos, sería imposible buscar homólogos de GRB en otras longitudes de onda utilizando telescopios más grandes en el espacio o en tierra.
En 1991, la NASA lanzó el Observatorio de rayos gamma Compton, que incluía un instrumento llamado BATSE (Experimento científico de ráfagas y transitorios) diseñado para estudiar los GRB. Desarrollado en el Marshall Space Flight Center de la NASA en Huntsville, Alabama, por un equipo que incluía a Meegan, BATSE era aproximadamente 10 veces más sensible que los detectores GRB anteriores. Durante su misión de nueve años, Compton BATSE detectó 2.704 destellos, lo que brindó a los astrónomos un rico conjunto de observaciones realizadas con el mismo instrumento.
En el primer año, los datos de BATSE mostraron que las erupciones se distribuyeron por el cielo en lugar de seguir un patrón que reflejaba la estructura de nuestra galaxia, la Vía Láctea. “Esto sugirió que provenían de galaxias distantes, y eso significaba que tenían más energía de lo que la mayoría de los científicos creía posible”, dijo Meegan.
Casi al mismo tiempo, Chryssa Kouveliotou, otro miembro del equipo BATSE, intentó clasificar los arrebatos. El equipo descubrió que la duración de los estallidos se puede dividir en dos grandes grupos, uno que dura menos de dos segundos y el otro que dura más de dos segundos, y que los estallidos cortos producen rayos gamma de mayor energía que los estallidos largos.
“Entonces, tanto las propiedades temporales como las espectrales coincidieron en la identificación de dos grupos separados de GRB: cortos y largos”, dijo Kouveliotou, quien ahora dirige el departamento de física en la Universidad George Washington. “Poco después, los teóricos relacionaron los GRB largos con el colapso de estrellas masivas y los GRB cortos con fusiones de estrellas de neutrones dobles”.
El siguiente paso en la comprensión fueron las observaciones de la cuenca del satélite italiano-holandés BeppoSAX. Si bien no está diseñado específicamente como una misión GRB, su conjunto de instrumentos, incluido un monitor de rayos gamma y dos cámaras de rayos X de campo amplio, ha demostrado ser una gran ayuda para el campo.
Cuando se produjo una llamarada en el campo de visión de una de las cámaras de rayos X, la nave espacial pudo localizarla lo suficientemente bien en unas pocas horas como para poder utilizar instrumentos adicionales. Cada vez que BeppoSAX giraba hacia el GRB, sus instrumentos encontraban una fuente de alta energía previamente desconocida y que se desvanecía rápidamente, predicha por los teóricos del resplandor de rayos X. Estas posiciones permitieron que grandes observatorios terrestres descubrieran los largos resplandores de los GRB en luz visible y radio, y permitieron las primeras mediciones de distancia, lo que confirmó que los GRB eran eventos realmente distantes.
Impresión artística de Vela 5B en órbita terrestre. Fuente: Laboratorio Nacional de Los Álamos
La necesidad de velocidad
En 2000, la NASA lanzó HETE 2, un pequeño satélite diseñado para detectar y localizar GRB. Fue la primera misión en calcular las posiciones exactas a bordo y rápidamente, en decenas de segundos, transmitirlas al suelo para que otros observatorios pudieran estudiar las primeras fases del resplandor. Una llamarada descubierta el 29 de marzo de 2003 también exhibió características definitivas de supernova, lo que confirma el presunto vínculo entre los dos fenómenos.
Lo que a BeppoSAX le llevó unas pocas horas, el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA, lanzado en 2004, puede hacerlo en aproximadamente un minuto. “Lo llamamos Swift por una razón”, dijo S. Bradley Cenko de Goddard, el actual investigador principal de la misión. “Su respuesta rápida y automatizada nos permitió detectar destellos y otras características del resplandor de rayos X que no se habían visto antes”.
El seguimiento de los GRB detectados por estas misiones confirmó que los estallidos largos estaban asociados con regiones de formación estelar de galaxias y, a menudo, iban acompañados de supernovas. En mayo de 2005, Swift pudo identificar el primer resplandor de un breve relámpago, lo que demuestra que estos estallidos ocurren en regiones donde se están formando pocas estrellas. Esto reforzó el modelo de ráfagas cortas como fusiones de estrellas de neutrones que pueden viajar lejos de su lugar de nacimiento durante los muchos millones de años necesarios para colisionar.
En 2008, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA se unió a Swift en la búsqueda de GRB y hasta ahora ha observado alrededor de 3500. Su GBM (Monitor de ráfagas de rayos gamma) y su Telescopio de área grande le permiten detectar y rastrear ráfagas que van desde rayos X a los rayos gamma de mayor energía detectados en el espacio – un lapso de energía de 100 millones de veces. Esto permitió el descubrimiento de rayos gamma de resplandor residual con energías miles de millones de veces mayores que la luz visible.
la proxima revolucion
En 2017, Fermi y el satélite INTEGRAL de Europa vincularon un GRB corto a una fuente de ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo creadas cuando las estrellas de neutrones en órbita giran hacia adentro y se fusionan. Este fue un primer paso importante que reunió a dos “mensajeros” cósmicos diferentes, la gravedad y la luz. Si bien los astrónomos no han visto otro estallido de “gravedad y luz” desde entonces, esperan que surjan más en las series de observación de los observatorios de ondas gravitacionales actuales y futuras.
“Estamos construyendo nuevos satélites con mayor sensibilidad para profundizar en este fenómeno, por lo que el futuro de la ciencia GRB parece brillante”, dijo Dan Kocevski de Marshall, miembro del equipo Fermi GBM e investigador principal de StarBurst, un pequeño satélite diseñado para estudiar GRB. de fusiones de estrellas de neutrones. Otras misiones incluyen Glowbug, parte de un conjunto experimental lanzado a la Estación Espacial Internacional en marzo y dirigido por J. Eric Grove del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington, D.C.; BurstCube, encabezado por Jeremy Perkins de Goddard y cuyo lanzamiento está programado para principios de 2024; MoonBEAM, que orbitaría entre la Tierra y la Luna y está dirigido por Chiumun Michelle Hui de Marshall; y LEAP, diseñado para estudiar los chorros GRB de la estación espacial, dirigido por Mark McConnell de la Universidad de New Hampshire, Durham.
Y a medida que los dispositivos gravitacionales y de rayos gamma extiendan su alcance, se abrirá un nuevo capítulo en la historia de GRB.
“Lo que revolucionará por completo nuestra comprensión de los GRB”, dijo Alessandra Corsi, profesora asociada de la Universidad Tecnológica de Texas en Lubbock, “podrá rastrearlos hasta cuando la formación estelar estaba en su apogeo en el universo, hace unos 10 mil millones de años. . Esta parte del universo será explorada por la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales, 10 veces más sensibles que los que tenemos hoy, y por futuras misiones de rayos gamma, que podrían dar continuidad a la ciencia fantástica que han hecho Swift y Fermi. posible.”