ALMA observa prolongado “eco” de radio causado por chorros de destello de rayos gamma

26 julio, 2018

Artículo Científico

Un equipo de astrónomos usó ALMA para estudiar una enorme explosión estelar conocida como destello de rayos gamma (GRB en su sigla en inglés), y encontró una prolongada luminiscencia residual. El rebote de esta explosión, es decir, la onda de choque inversa generada por la colisión de los potentes chorros de este GRB contra los escombros circundantes, duró miles de veces más de lo que habían previsto los astrónomos. Estas observaciones aportaron nueva información sobre las características físicas de los GRB, una de las explosiones más energéticas del Universo.

En una fracción de segundos, una estrella enorme situada a más de 2.000 millones de años luz de nosotros perdió una lucha de un millón de años contra su propia gravedad. Esto gatilló la explosión de una supernova y el surgimiento de un agujero negro en su centro. El agujero negro recién formado escupió un chorro fugaz pero increíblemente intenso de rayos gamma– un fenómeno conocido como destello de rayos gamma (GBR)– en dirección de la Tierra, donde fue detectado el 19 de diciembre de 2016 por el Neil Gehrels Swift Observatory de la NASA.

Pese a que los rayos gamma de la explosión desaparecieron pocos segundos después, la luz emitida en longitudes de onda más largas, como los rayos X, las señales de radio y la luz visible, siguieron brillando durante varias semanas. De esa forma, los astrónomos pudieron estudiar el desenlace de este acontecimiento extraordinariamente energético, conocido como GRB 161219B, a partir de varios observatorios terrestres.

Sin embargo, fueron las capacidades únicas del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) que permitieron a un equipo de astrónomos estudiar en detalle la explosión en longitudes de onda milimétricas y recabar nuevos datos, como el tamaño y la composición de los intensos chorros.

“ALMA observa luz en longitudes de onda milimétricas, que trae información sobre cómo los chorros interactúan con el polvo y el gas circundantes, siendo una poderosa herramienta para estudiar estas violentas explosiones cósmicas”, explica Tanmoy Laskar, autor principal del estudio, quien cursa un posdoctorado en el marco del programa Jansky Postdoctoral Fellow del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos, en Berkeley (California). Los detalles de la investigación se recogen en un artículo publicado en la revista The Astrophysical Journal.

Gracias a estas observaciones, los astrónomos pudieron producir el primer video de ALMA de una explosión cósmica en cámara rápida, y revelaron una onda de choque inversa sorprendentemente larga generada por la explosión que regresaba a sus potentes chorros como un eco. “Según lo que sabíamos hasta entonces de los GRB, esperábamos que el choque inverso tardara entre unos pocos segundos y, como mucho, un minuto. En este caso observamos una duración de casi un día entero”, comenta Laskar.

Impresión artística de la onda de choque inversa regresando como un eco a sus potentes chorros de destello de rayos gamma (GRB 161219B). Créditos: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Impresión artística de la onda de choque inversa regresando como un eco a sus potentes chorros de destello de rayos gamma (GRB 161219B). Créditos: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Los choques inversos se producen cuando el material expulsado por los chorros de un GRB choca con el gas circundante. Esta colisión desacelera el material arrojado y envía una onda de choque de vuelta hacia el chorro, y como los chorros no deberían durar más de unos pocos minutos, se esperaba que el choque inverso fuera igualmente breve. Aparentemente, sucede lo contrario.

“Durante décadas los astrónomos creyeron que estos choques invertidos generaban un intenso destello de luz visible, y hasta ahora había sido muy difícil encontrarlos pese a las cuidadosas observaciones que se habían realizado. Con ALMA descubrimos que quizás estuvimos buscando en el lugar equivocado, y que las observaciones milimétricas son nuestra mejor herramienta para encontrar estos espectáculos cósmicos”, comenta Carole Mundell, profesora de la Universidad de Bath y coautora del estudio.

En efecto, la luz del choque inverso alcanza su brillo máximo en la banda milimétrica en escalas de tiempo cercanas a un día, lo cual probablemente explique por qué había sido tan difícil de detectar. Mientras la radiación milimétrica fue generada por el choque inverso, los rayos X y la luz visible provienen de la onda de choque que precede el chorro.

“Lo que llama la atención de este acontecimiento —prosigue Laskar— es que, mientras el choque inverso ingresó en el chorro, la energía del chorro se traspasó lentamente pero en forma continua hacia la onda de choque saliente, y esto hizo que la luz visible y los rayos X se desvanecieran mucho más lentamente de lo que se esperaría. Para los astrónomos era una incógnita de dónde venía esta energía extra de la onda de choque. Gracias a ALMA, ahora sabemos que esta energía —hasta un 85 % del total en el caso de GRB 161219B— se encuentra oculta en el material del propio chorro que se desplaza lentamente”.

Tras una semana, la brillante radiación de la onda de choque inversa se desvaneció y dio paso al brillo de la onda saliente, y esto dio a los astrónomos la oportunidad de estudiar la geometría del chorro.

La luz visible de la onda de choque en este momento crítico, cuando el chorro se ha acelerado apenas lo suficientemente para que todo el chorro sea visible desde la Tierra, fue opacada por la supernova que surgió mediante la explosión de la estrella. No obstante, las observaciones de ALMA, que no se ven afectadas por la luz de la supernova, permitieron a los astrónomos acotar el ángulo de apertura del chorro a unos 13 grados.

Timelapse de ALMA que muestra la luminiscencia residual de un poderoso destello de rayos gamma. Estas imágenes en ondas milimétricas de la luz revelan detalles sobre la energía de estos chorros de GRB. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Laskar; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

Timelapse de ALMA que muestra la luminiscencia residual de un poderoso destello de rayos gamma. Estas imágenes en ondas milimétricas de la luz revelan detalles sobre la energía de estos chorros de GRB. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Laskar; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

Comprender la forma y la duración del chorro emanado de la estrella es fundamental para determinar la verdadera potencia del destello. En este caso, los astrónomos descubrieron que los chorros contenían tanta energía como la que produce el Sol en 1.000 millones de años.

“Es una cantidad increíble de energía, pero en realidad es uno de los fenómenos menos energéticos que hemos observado. Y eso todavía es un misterio”, señala Kate D. Alexander, estudiante de posgrado de la Universidad Harvard, quien dirigió las observaciones realizadas con el Very Large Array (VLA). “Aunque se encuentra a más de 2.000 millones de años luz de distancia, este GRB es el fenómeno más cercano de este tipo en ser estudiado en detalle para conocer las propiedades del chorro, algo que se logró gracias a la combinación de las capacidades de ALMA y el VLA”.

Este es tan solo el cuarto destello de rayos gamma que ha dado lugar a una detección multifrecuencias fehaciente de un choque inverso, según los investigadores. El material presente alrededor de la estrella mientras esta colapsaba era cerca de 3.000 veces menos denso que el gas que rodea las estrellas de nuestra galaxia, y de las nuevas observaciones de ALMA se desprende que estos entornos tan poco densos son fundamentales para que se produzca una emisión de choque inverso, lo cual podría explicar su escasez en el Universo.

“Nuestras observaciones con ALMA, caracterizadas por un corto tiempo de respuesta, ponen de manifiesto el importante papel que desempeña el observatorio en el seguimiento de transientes, revelando su fuente energética y usándolos para develar las características físicas del Universo desde la aparición de las primeras estrellas”, concluye Laskar. “En concreto, nuestro estudio demuestra que la extraordinaria sensibilidad de ALMA y su mejorada capacidad de respuesta le valen el reconocimiento de ser la única instalación capaz de detectar ondas de choque inversas de forma periódica y, de esa forma, permitirnos estudiar los chorros relativistas de estos transientes energéticos y los factores que los propulsan y alimentan.

Animación artística de una estrella que explota en una supernova y alimenta un destello de rayos gamma. Los astrónomos captaron la prolongada luminiscencia residual de una de estas explosiones cataclísmicas con ALMA y el VLA por primera vez. El rebote, o choque inverso, provocado por los poderosos chorros de este GRB chocando contra los escombros circundantes, duró miles de veces más de lo esperado, dando a los astrónomos una visión sin precedentes de la estructura y la dinámica de los chorros. Crédito: NRAO / AUI / NSF; S. Dangello

Información Adicional

Esta investigación se presenta en el artículo «“First ALMA Light Curve Constraints Refreshed Reverse Shocks & Jets Magnetization in GRB 161219B,” por T. Laskar et al. en el Astrophysical Journal. [apj.aas.org]

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.