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Muerte de una estrella masiva con el más breve destello de rayos gamma

Muerte de una estrella masiva con el más breve destello de rayos gamma

El telescopio espacial Fermi de la NASA detectó el año pasado un pulso de radiación de alta energía que, con una duración de tan solo un segundo, batió un récord: fue la explosión de rayos gamma más corta jamás vista al morir una estrella masiva. Ahora un equipo internacional, con participación del Instituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC), analiza el descubrimiento.

Muerte de una estrella masiva con el mas breve destello de rayos gamma

Sinc Muerte de una estrella masiva con el mas breve destello de rayos gamma

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El 26 de agosto de 2020, el telescopio espacial Fermi de la NASA detectó la explosión de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) más corta causada por la muerte de una estrella masiva jamás vista: un pulso de radiación de tan solo un segundo.

Bautizado como GRB 200826A (por la fecha en que se produjo), este estallido es esta semana objeto de dos artículos publicados en Nature Astronomy, en los que participan investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).

El primero, dirigido por Bin-bin Zhang de la Universidad de Nanjing (China) y de la Universidad de Nevada (EE UU), explora los datos de rayos gamma. El segundo, liderado por Tomás Ahumada de la Universidad de Maryland y del Centro de Vuelo Espacial Goddard (NASA), describe el desvanecimiento del resplandor del GRB en múltiples longitudes de onda y la luz emergente de la explosión de supernova que le siguió.

El telescopio espacial Fermi ha detectado la explosión de rayos gamma (GRB) más corta causada por la muerte de una estrella masiva jamás vista: un pulso de tan solo un segundo

Los GRB son los fenómenos más energéticos del universo, detectables incluso si se producen en galaxias a miles de millones de años luz. Se clasifican como cortos o largos en función de si el evento dura más de dos segundos, y su duración se asocia con su origen: los estallidos largos se producen con la muerte de estrellas masivas, mientras que los estallidos cortos se han relacionado con la fusión de dos objetos compactos, como estrellas de neutrones.

Sin embargo, el hallazgo muestra que la clasificación de estos estallidos según su duración no responde del todo a la realidad y abre nuevos escenarios en la muerte de las estrellas.

“Ya sabíamos que algunos GRB producidos por estrellas masivas podían registrarse como GRB cortos, pero pensábamos que se debía a las limitaciones instrumentales”, señala Zhang, “este estallido es especial porque se trata de un GRB de corta duración, pero sus propiedades apuntan a una estrella en colapso como origen: ahora sabemos que las estrellas moribundas también pueden producir estallidos cortos”.

“Creemos que este acontecimiento fue una especie de desvanecimiento, que estuvo a punto de no producirse”, señala por su parte Ahumada. “Aun así, el estallido emitió catorce millones de veces la energía liberada por toda la Vía Láctea durante la misma fracción de tiempo, lo que lo convierte en uno de los GRB de corta duración más energéticos jamás vistos”.

Muerte de estrellas masivas también con GRB cortos

Cuando una estrella con una masa mínima de ocho veces la del Sol agota el hidrógeno que le sirve de combustible, su núcleo colapsa y se forma un agujero negro. A medida que la materia se arremolina en torno al agujero negro, parte de ella escapa a través de dos potentes chorros que se precipitan hacia el exterior casi a la velocidad de la luz en direcciones opuestas.

Ilustración de la formación de un agujero negro tras el colapso del núcleo de la estrella (punto negro central) y el lanzamiento de dos chorros que atraviesan la envoltura y producen, si la alineación es correcta, un GRB. / Goddard Space Flight Center (NASA)

Cada chorro perfora la estrella, produciendo una señal de rayos gamma que puede durar hasta varios minutos, mientras el chorro se aleja e interactúa con el gas circundante. Tras el estallido, la envoltura de la estrella se expande rápidamente en forma de supernova. Solo se detecta un GRB cuando uno de estos chorros apunta casi directamente hacia la Tierra.

Varios escenarios posibles

Los grupos que firman los dos artículos proponen distintos escenarios para explicar este extraño estallido. Por ejemplo, el GRB 200826A pudo ser impulsado por chorros que apenas salieron de la estrella antes de apagarse, en lugar del caso más típico en el que los chorros emergen de la estrella y recorren grandes distancias produciendo un estallido de larga duración.

“Incluso, este estallido podría pertenecer a una clase de GRB cortos que impliquen nuevos escenarios, como la fusión de una estrella normal y una de neutrones, o burbujas magnéticas inducidas por la rotación diferencial (distintas velocidades de rotación del ecuador y los polos de una estrella) como mecanismo de producción de emisiones de rayos gamma –señala Alberto Castro-Tirado, investigador del IAA que participa en los artículos. En términos más generales, este resultado demuestra claramente que la duración de un estallido no indica su origen”.

El hallazgo ayuda a resolver un viejo enigma. Aunque los GRB largos parecen estar asociados a supernovas, se detecta un número mucho mayor de supernovas que de GRB largos, una discrepancia que persiste incluso considerando que los chorros de los GRB deben apuntar hacia nuestra línea de visión para ser detectados.

Observaciones multionda espaciales y terrestres

El GRB 200826A constituyó una fuerte explosión en alta energía que fue detectada por el telescopio espacial Fermi, así como la misión Wind (NASA), Mars Odyssey (NASA) y el satélite INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea (ESA), que participan en un sistema de localización de GRBs denominado Red Interplanetaria (IPN).

Dado que el estallido llega a cada detector en distintos momentos, cualquier par de ellos puede utilizarse para acotar en qué lugar del cielo se produjo. Unas diecisiete horas después del GRB, la IPN redujo su localización a una zona relativamente pequeña del cielo en la constelación de Andrómeda.

Utilizando el Zwicky Transient Facility (ZTF) del Observatorio Palomar, el equipo escaneó el cielo en busca de cambios en la luz visible que pudieran estar relacionados con el desvanecimiento del resplandor posterior del GRB. De las más de veintiocho mil alertas de ZTF de la primera noche, solo una cumplía todos los criterios de búsqueda.

Un día después del estallido, se halló emisión en rayos X en la misma región y dos días después en ondas de radio. Gracias a medidas con el Gran Telescopio Canarias (La Palma), el equipo demostró que la luz del GRB había tardado 6.600 millones de años en llegar hasta nosotros (esto supone el 48% de la edad actual del universo, que es de 13.800 millones de años).

Pero para demostrar que este breve estallido procedía de una estrella en colapso era preciso captar también el brillo de la supernova emergente. Observaciones con el telescopio Gemini North permitieron detectar, a partir de 28 días después del estallido, una fuente en el infrarrojo cercano: la supernova. 

Referencias:

Ahumada, T. et al: “Discovery and confirmation of the shortest gamma ray burst from a collapsar”. Zhang, B.-B. et al: ”Peculiarly Short-duration Gamma-Ray Burst from Massive Star Core Collapse”, Nature Astronomy, 2021.

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