Nueva Era En La Ciencia De Rayos Gamma Con Nasa Fermi, Swift Missions

Ilustración de explosión de rayos gamma

Las instalaciones terrestres han detectado radiación hasta un billón de veces la energía de la luz visible de una explosión cósmica llamada explosión de rayos gamma (GRB). Esta ilustración muestra la configuración del tipo más común. El núcleo de una estrella masiva (izquierda) colapsó y formó un agujero negro. Este “motor” impulsa un chorro de partículas que se mueve a través de la estrella que colapsa y sale al espacio casi a la velocidad de la luz. La rápida emisión, que normalmente dura un minuto o menos, puede surgir de la interacción del chorro con el gas cerca del agujero negro recién nacido y de colisiones entre capas de gas que se mueven rápidamente dentro del chorro (ondas de choque internas). La emisión de resplandor se produce cuando el borde de ataque del chorro barre su entorno (creando una onda de choque externa) y emite radiación en todo el espectro durante algún tiempo: meses a años, en el caso de la radio y la luz visible, y muchas horas en el energías de rayos gamma más altas hasta ahora observadas. Estos superan con creces los 100 mil millones de electronvoltios (GeV) para dos GRB recientes. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Un par de explosiones distantes descubiertas por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA y el Observatorio Swift Neil Gehrels han producido la luz de mayor energía vista hasta ahora en estos eventos, llamados estallidos de rayos gamma (GRB). Las detecciones récord, realizadas por dos observatorios terrestres diferentes, proporcionan nuevos conocimientos sobre los mecanismos que impulsan los estallidos de rayos gamma.

Los astrónomos reconocieron por primera vez el fenómeno GRB hace 46 años. Las explosiones aparecen en ubicaciones aleatorias en el cielo aproximadamente una vez al día, en promedio.

El tipo más común de GRB ocurre cuando una estrella mucho más masiva que el Sol se queda sin combustible. Su núcleo colapsa y forma un calabozo , que luego lanza chorros de partículas hacia afuera a casi la velocidad de la luz. Estos chorros perforan la estrella y continúan en el espacio. Producen un pulso inicial de rayos gamma, la forma de luz más energética, que suele durar alrededor de un minuto.

A medida que los chorros corren hacia afuera, interactúan con el gas circundante y emiten luz en todo el espectro, desde radio hasta rayos gamma. Estos llamados resplandores se pueden detectar hasta meses, y rara vez, incluso años, después del estallido en longitudes de onda más largas.

Observatorio Cherenkov (MAGIC) de imágenes gamma atmosféricas importantes

El 14 de enero de 2019, el gran observatorio Cherenkov (MAGIC) de imágenes gamma atmosféricas en las Islas Canarias capturó la luz de mayor energía registrada en una explosión de rayos gamma. MAGIC comenzó a observar la ráfaga de desvanecimiento solo 50 segundos después de que fue detectada gracias a las posiciones proporcionadas por las naves espaciales Fermi y Swift de la NASA (arriba a la izquierda y derecha, respectivamente, en esta ilustración). Los rayos gamma empacaron energía hasta 10 veces mayor que la vista anteriormente. Crédito: NASA / Fermi y Aurore Simonnet, Universidad Estatal de Sonoma

“Mucho de lo que hemos aprendido sobre los GRB en las últimas dos décadas proviene de observar sus resplandores a energías más bajas”, dijo Elizabeth Hays, científica del proyecto Fermi en NASA Goddard Space Flight Center en Greenbelt, Maryland. “Ahora, gracias a estas nuevas detecciones terrestres, estamos viendo los rayos gamma de los estallidos de rayos gamma de una manera completamente nueva”.

Dos artículos publicados en la revista Nature describen cada uno de los descubrimientos. Un tercer artículo analiza una de las ráfagas utilizando un rico conjunto de datos de múltiples longitudes de onda de los observatorios en el espacio y en el suelo. Un cuarto artículo, aceptado por The Astrophysical Journal, explora los datos de Fermi y Swift con mayor detalle. 

El 14 de enero de 2019, justo antes de las 4 pm EST, los satélites Fermi y Swift detectaron un pico de rayos gamma de la constelación de Fornax. Las misiones alertaron a la comunidad astronómica sobre la ubicación del estallido, denominado GRB 190114C.

Una de las instalaciones que recibió las alertas fue el observatorio Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC), ubicado en La Palma en las Islas Canarias, España. Ambos telescopios de 17 metros giraron automáticamente hacia el lugar de la explosión. Comenzaron a observar el GRB solo 50 segundos después de que se descubrió y capturaron los rayos gamma más energéticos hasta ahora vistos en estos eventos.

Telescopio espacial Hubble GRB 190114C

El resplandor crepuscular de GRB 190114C y su galaxia de origen fueron fotografiados por el Telescopio Espacial Hubble el 11 de febrero y el 12 de marzo de 2019. La diferencia entre estas imágenes revela un resplandor tenue y de corta duración (centro del círculo verde) ubicado aproximadamente a 800 a años luz del núcleo de la galaxia. Los colores azules más allá del núcleo señalan la presencia de estrellas jóvenes y calientes, lo que indica que se trata de una galaxia espiral algo similar a la nuestra. Se encuentra a unos 4.500 millones de años luz de distancia en la constelación de Fornax. Crédito: NASA, ESA y V. Acciari et al. 2019

La energía de la luz visible varía entre 2 y 3 electronvoltios. En 2013, el Telescopio de área grande de Fermi (LAT) detectó luz que alcanzaba una energía de 95 mil millones de electronvoltios (GeV), la más alta vista desde una ráfaga. Esto cae apenas por debajo de los 100 GeV, el umbral para los llamados rayos gamma de muy alta energía (VHE). Con GRB 190114C, MAGIC se convirtió en la primera instalación en informar una emisión de VHE inequívoca, con energías de hasta un billón de electronvoltios (1 TeV). Eso es 10 veces el pico de energía que Fermi ha visto hasta la fecha.

“Hace veinte años, diseñamos MAGIC específicamente para buscar emisiones de VHE de GRB, por lo que este es un gran éxito para nuestro equipo”, dijo el coautor Razmik Mirzoyan, científico del Instituto Max Planck de Física en Múnich y portavoz de la colaboración MAGIC. “El descubrimiento de rayos gamma TeV de GRB 190114C muestra que estas explosiones son incluso más poderosas de lo que se pensaba antes. Más importante aún, nuestra detección facilitó una extensa campaña de seguimiento que involucró a más de dos docenas de observatorios, ofreciendo pistas importantes sobre los procesos físicos que operan en los GRB ”.

Estos incluyeron la misión NuSTAR de la NASA, el satélite de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA, además de Fermi y Swift, junto con muchos observatorios terrestres. Las imágenes del Hubble adquiridas en febrero y marzo capturaron el resplandor óptico de la explosión. Muestran que la explosión se originó en una galaxia espiral a unos 4.500 millones de años luz de distancia. Esto significa que la luz de este GRB comenzó a viajar hacia nosotros cuando el universo tenía dos tercios de su edad actual.

Otro artículo presenta observaciones de una explosión diferente, que Fermi y Swift descubrieron el 20 de julio de 2018. Diez horas después de sus alertas, el Sistema estereoscópico de alta energía (HESS) apuntó su gran telescopio de rayos gamma de 28 metros a la ubicación de el estallido, llamado GRB 180720B. Un análisis cuidadoso realizado durante las semanas posteriores al evento reveló que HESS detectó claramente rayos gamma VHE con energías de hasta 440 GeV. Aún más notable, el resplandor continuó durante dos horas después del inicio de la observación. Captar esta emisión tanto tiempo después de la detección del GRB es una sorpresa y un nuevo descubrimiento importante.

Los científicos sospechan que la mayoría de los rayos gamma de los resplandores de GRB se originan en campos magnéticos en el borde de ataque del chorro. Los electrones de alta energía que giran en espiral en los campos emiten directamente rayos gamma a través de un mecanismo llamado emisión de sincrotrón.

Pero tanto el equipo de HESS como el de MAGIC interpretan la emisión de VHE como un componente de resplandor distintivo, lo que significa que debe haber algún proceso adicional en funcionamiento. El mejor candidato, dicen, es la dispersión de Compton inversa. Los electrones de alta energía en el chorro chocan contra rayos gamma de menor energía y los impulsan a energías mucho más altas.

En el artículo que detalla las observaciones de Fermi y Swift, los investigadores concluyen que puede ser necesario un mecanismo físico adicional para producir la emisión de VHE. Sin embargo, dentro de las energías más bajas observadas por estas misiones, la inundación de rayos gamma de sincrotrón hace que descubrir un segundo proceso sea mucho más difícil.

“Con Fermi y Swift, no vemos evidencia directa de un segundo componente de emisión”, dijo S. Bradley Cenko de Goddard, el investigador principal de Swift y coautor de los artículos de Fermi-Swift y de varias longitudes de onda. “Sin embargo, si la emisión de VHE surge solo del proceso de sincrotrón, entonces será necesario revisar los supuestos fundamentales utilizados para estimar la energía máxima producida por este mecanismo”.

Se necesitarán observaciones de ráfagas futuras para aclarar la imagen física. Los nuevos datos de VHE abren un nuevo camino para comprender los GRB, uno que se ampliará aún más con MAGIC, HESS y una nueva generación de telescopios terrestres de rayos gamma que ahora se está planificando.

Referencia: “Emisión de teraelectronvoltios de la ráfaga de rayos γ GRB 190114C” por MAGIC Collaboration, 20 de noviembre de 2019, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-019-1750-x

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas administrada por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Fermi se desarrolló en colaboración con el Departamento de Energía de EE. UU., Con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y los Estados Unidos.

Goddard gestiona la misión Swift en colaboración con Penn State en University Park, el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México y Northrop Grumman Innovation Systems en Dulles, Virginia. Otros socios incluyen la Universidad de Leicester y el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard en el Reino Unido, el Observatorio Brera y la Agencia Espacial Italiana en Italia.

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