Por Maria Marin. Los brotes de rayos gamma (GRB, por sus siglas en ingles) son las explosiones mas violentas en el universo y aparecen repentinamente en el cielo, aproximadamente una vez al dia. Se cree que son el resultado del colapso de estrellas masivas o bien de la fusion de estrellas de neutrones o incluso agujeros negros en galaxias distantes.

Comienzan con un destello inicial muy brillante, llamado emision rapida, con una duracion que varia desde una fraccion de segundo hasta cientos de segundos. Esta se acompaña de una post-luminiscencia, una emision mas debil pero mas duradera con un amplio rango de longitudes de onda, desde ondas de radio hasta rayos gamma con una energia de gigaelectronvoltios (GeV). Los origenes de estas energeticas emisiones se conocen poco por la escasez de observaciones.

Deteccion de la explosion en todo el mundo

Pero el 14 de enero de 2019, dos satelites 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 electronica a los astronomos de todo el mundo, incluida la Colaboracion MAGIC, que tiene dos telescopios Cherenkov de 17 metros de diametro ubicados en La Palma, España. A pesar de pesar 64 toneladas cada uno, pueden rotar 180 grados en medio minuto.

Tan solo 50 segundos despues de que comenzara este brote de rayos gamma, MAGIC ya estaba observandolo. Los cientificos quedaron sorprendidos al comprobar que emitia los fotones de mayor energia detectados hasta ahora procedentes de este tipo de objetos.

De hecho, GRB 190114C paso a ostentar el record de ser la fuente mas brillante conocida de estos energeticos fotones, ademas de ser el primer estallido de rayos gamma en muy altas energias captado por MAGIC. Los detalles se publican ahora en dos articulos de la revista Nature.

El analisis de los datos recogidos durante alrededor de un minuto revela que la emision de fotones en la post-luminiscencia alcanzaron energias de 0,2 a un teraelectronvoltio (TeV), es decir, un billon de veces mas energeticos que la luz visible. Durante este tiempo, la emision de fotones de TeV del GRB 190114C fue 100 veces mas intensa que la fuente estable mas brillante conocida en estas energias, la Nebulosa del Cangrejo.

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“Es un descubrimiento unico porque llevabamos 20 años buscando esta señal. Nadie esperaba poder medir radiacion gamma de tan altisima energia”, explica a Sinc Maria Victoria Fonseca, presidenta de la Junta de la Colaboracion MAGIC. De hecho, es la primera vez que se detectan emisiones de GRB con rangos de energia superiores a los 100 GeV.

Observan explosiones cosmicas de rayos gamma con altisima energia
Representaciones artisticas del estallido de rayos gamma en altas energias detectado por MAGIC. / Superbossa.com y MPI for Physics/Gabriel Perez Diaz (IAC)

Como se esperaba para la post-luminiscencia de los GRB, la emision se desvanecio rapidamente con el tiempo, igual que la post-luminiscencia ya observada a energias mas bajas. Los ultimos destellos fueron vistos por MAGIC media hora despues.

En cualquier caso, la Colaboracion MAGIC ha podido anunciar por primera vez la deteccion inequivoca de fotones de TeV de un GRB a la comunidad internacional de astronomos solo unas horas despues de las alertas enviadas por los satelites.

“Los telescopios MAGIC son los unicos en el mundo que tienen este umbral de energia tan bajo y por tanto los unicos que podian capturar el rayo en este rango de energia”, dice la investigadora.

Esto facilito luego una extensa campaña de observaciones en multiples longitudes de onda del rayo gamma, con la contribucion de mas de dos docenas de observatorios e instrumentos, proporcionando una cobertura completa de este GRB desde la banda de radio hasta las energias TeV.

En particular, las observaciones opticas permitieron medir la distancia que han viajado los fotones desde que se generaron en el rayo, aproximadamente 4.500 millones de años luz.

Aunque la emision de TeV en la post-luminiscencia de estas explosiones de rayos gamma se habia predicho en algunos estudios teoricos, nunca antes se habia confirmado experimentalmente, a pesar de numerosos esfuerzos en las ultimas decadas con varios instrumentos, incluido MAGIC.

¿Que mecanismo fisico hay detras de este fenomeno?

“Despues de mas de 50 años desde que se descubrieron los GRB, muchos de sus aspectos fundamentales siguen siendo un misterio”, comenta Razmik Mirzoyan, el portavoz de la Colaboracion MAGIC. Las energias son mucho mas altas de lo que se puede esperar de la denominada radiacion sincrotron, causada por los electrones de alta energia en movimiento dentro de campos magneticos. Este proceso se considera responsable de la emision que se habia observado anteriormente a energias mas bajas en la post-luminiscencia de los GRB.

Observan explosiones cosmicas de rayos gamma con altisima energia
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 ibamos viendo pasaban el limite de la radiacion de sincrotron. Estos nuevos resultados, junto con los numerosos datos en multiples longitudes de onda, proporcionan la primera evidencia inequivoca de un proceso de emision adicional y distinto en la post-luminiscencia”, explica Elena Moretti, astrofisica de la comunidad española y una de las principales autoras de los resultados.

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El analisis de los datos indica que el candidato preferido es el llamado proceso inverso de Compton, donde los electrones de alta energia transfieren energia al colisionar con los fotones existentes, haciendolos mas energeticos.

“El descubrimiento de la emision de rayos gamma en el GRB 190114C en la banda TeV del espectro electromagnetico muestra que los GRB son aun mas 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 multiples longitudes de onda, ofrecen pistas importantes para desentrañar algunos de los misterios relacionados con los procesos fisicos 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 unico, excepto por su relativa proximidad (a unos 4.500 millones de años luz de la Tierra), y que la deteccion exitosa se debe al excelente rendimiento del instrumento.

Con la deteccion del GRB 190114C, MAGIC abre una nueva ventana para estudiar los GRB. Todo indica que se pueden detectar muchos mas GRB en las energias del TeV y facilitar el camino para una comprension mucho mas profunda de estas fascinantes explosiones cosmicas.

Importante participacion española

En la colaboracion MAGIC participan numerosas instituciones española desde sus comienzos. Actualmente son miembros el Centro de Investigaciones Energeticas, Medioambientales y Tecnologicas (CIEMAT), el Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC), el Institut de Fisica d’Altes Energies (IFAE), la Universidad Autonoma de Barcelona (UAB), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). Ademas, el centro de datos de MAGIC es el Port d’Informacio Cientifica (PIC), una colaboracion del IFAE y el CIEMAT.

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Por su parte, investigadores del Instituto de Astrofisica de Andalucia (IAA-CSIC) han aportado una panoramica completa del entorno donde se produjo la explosion. “Hemos combinado datos de algunos de los observatorios mas potentes del mundo, como el telescopio espacial Hubble, el Very Large Telescope (VLT) y ALMA –el mayor radiotelescopio del mundo- para explicar la radiacion observada por MAGIC y comprobar si la emision de fotones tan energeticos en esta GRB esta 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 region central de una galaxia que se halla en proceso de interaccion con otra algo mayor y muy proxima, un proceso que desencadena intensos brotes de formacion estelar. No solo la galaxia anfitriona de la GRB es mas masiva de lo habitual en estos fenomenos, sino que el entorno inmediato de la estrella en colapso es tambien mas denso que el que presentan de media este tipo de estallidos.

“Necesitamos estudiar el sistema en mas detalle aun, pero un entorno tan denso ha podido ser crucial en la produccion de los fotones ultraenergeticos detectados con MAGIC. Esperamos poder confirmarlo en los proximos 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 tambien han ayudado a determinar la distancia a la que se produjo el estallido y obtener imagenes del evento.

En el mismo numero 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 energias de emision de fotones del orden de 100 a 440 GeV. Los autores de este trabajo tambien atribuyen esta fenomeno al proceso inverso de Compton.