Explosiones gigantes en medio del polvo: ALMA estudia entorno de estallidos de rayos gamma

11 junio, 2014

Por primera vez y gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), investigadores japoneses han permitido establecer de forma directa cuáles son las proporciones de gas molecular y polvo que se encuentran en una galaxia que alberga estallidos de rayos gamma (GRB), las explosiones más grandes que tienen lugar en el Universo. Sorprendidos, los investigadores han comprobado que hay menos gas del esperado y, proporcionalmente, mucho más polvo, haciendo que algunos GRB aparezcan como “GRB oscuros”. Este trabajo aparece en la revista Nature el 12 de junio de 2014 y es el primer resultado científico de ALMA en torno a los GRB, mostrando el potencial del conjunto de antenas para ayudarnos a comprender mejor cómo se comportan estos objetos.


ALMA Probes Gamma Ray Bursts from NRAO Outreach on Vimeo.

Ilustración del entorno que rodea al GRB 020819B, basado en observaciones de ALMA. El GRB tuvo lugar en un brazo de una galaxia de la constelación de Piscis. Los GRB son enormes explosiones de una estrella soltando chorros de alta velocidad en dirección al observador. Sorprendentemente, se ha observado menos gas del esperado y, proporcionalmente, mucho más polvo, haciendo que algunos GRB aparezcan como “GRB oscuros”. Crédito: NAOJ

Los estallidos de rayos gamma (GRBs por sus siglas en inglés, Gamma-Ray Bursts) son intensas explosiones de altísima energía observadas en galaxias distantes, el fenómeno explosivo más brillante del Universo. Los que duran más de un par de segundos son conocidos como estallidos de rayos gamma de larga duración (LGRBs, de long-duration gamma-ray bursts) [1] y se asocian con las explosiones de supernova, potentes detonaciones que tienen lugar al final de la vida de las estrellas masivas.

En cuestión de segundos, un estallido típico libera tanta energía como la que habrá liberado el Sol a lo largo de sus diez mil millones de años de vida. La propia explosión suele estar seguida de una emisión que va apagándose poco a poco, conocida como luminiscencia residual, que se cree tiene su origen en las colisiones entre el material expulsado y el gas circundante.

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Fig. 1: Ilustración del entorno que rodea al GRB 020819B, basado en observaciones de ALMA. Crédito: NAOJ

Sin embargo, misteriosamente, algunos estallidos de rayos gamma parecen no tener ninguna luminiscencia residual y son denominados estallidos oscuros. Una posible explicación es que las nubes de polvo absorben la radiación de la luminiscencia residual. En los últimos años, los científicos han estado trabajando para comprender mejor cómo se forma un GRB estudiando sus galaxias anfitrionas. Dentro de estas galaxias, los astrónomos esperaban encontrar estrellas masivas progenitoras de los GRB en regiones activas de formación estelar, que podrían estar rodeadas por una gran cantidad de gas molecular, el combustible para la formación de estrellas. Sin embargo, no había ningún resultado observacional para respaldar esta teoría, dejando la incógnita sin respuesta durante mucho tiempo.

Un equipo nipón, encabezado por Bunyo Hatsukade, profesor asistente del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en Chile, observó a GRB 020819B y GRB 020819B, dos galaxias que presentan estallidos de rayos gamma situadas a 4300 millones y 6900 millones de años-luz, respectivamente. Nunca se habían detectado emisiones de radio en este tipo de galaxias antes, y esta hazaña solo fue posible aprovechando la sensibilidad única de ALMA [2].

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Fig. 2: Observaciones de la galaxia que alberga al GRB 020819B. Las medidas llevadas a cabo en el rango de las ondas de radio del gas molecular (izquierda) y el polvo (centro), han sido observadas por ALMA. A la derecha, una imagen en luz visible captada por el Telescopio Gemini Norte Frederick C. Gillett. La cruz indica la ubicación del lugar donde tiene lugar el GRB. Crédito: Bunyo Hatsukade(NAOJ), ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Kotaro Khono, profesor de la Universidad de Tokio y miembro del equipo de investigación, afirma:  «Llevábamos más de diez años buscando gas molecular en galaxias con estallidos de rayos gamma, usando varios telescopios alrededor del mundo. Gracias a un arduo trabajo, por fin hicimos un gran hallazgo valiéndonos de la sensibilidad inigualable de ALMA. Estamos muy contentos con nuestros logros». La sensibilidad proporcionada por ALMA para esta observación fue cerca de cinco veces superior a la de cualquier otro telescopio usado en investigaciones anteriores, pese a que la observación durara tan solo 47 minutos y se usaran apenas 27 antenas (menos de la mitad del número total disponible actualmente). Los resultados de estas observaciones pusieron en evidencia la capacidad revolucionaria de ALMA incluso en condiciones limitadas.

Otro logro notable, hecho posible gracias a la alta resolución de ALMA, fue descubrir la distribución del gas molecular y el polvo en galaxias GRB. Observaciones de GRB 020819B revelaron un entorno extraordinariamente rico en polvo [3], mientras que, cerca del centro de la galaxia anfitriona, se encontraba gas molecular. Es la primera vez que se ha revelado dicha distribución en galaxias GRB.

«No nos esperábamos ver estallidos de rayos gama en un entorno tan polvoriento y con una baja proporción de gas molecular. Esto indica que los estallidos ocurrieron en un ambiente poco habitual»explica Hatsukade. Esto sugiere que las estrellas masivas que murieron como GRB cambiaron el ambiente en la región de formación estelar antes de explotar.

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Fig. 3: Ilustración del entorno que rodea al GRB 020819B, basado en observaciones de ALMA. Crédito: NAOJ

El equipo de investigación cree que la elevada proporción de polvo comparada con el de gas molecular en las zonas donde se producen estallidos de rayos gamma se deba a sus diferentes reacciones a la radiación ultravioleta. Puesto que los enlaces entre los átomos que componen las moléculas se rompen fácilmente por la radiación ultravioleta, el gas molecular no puede sobrevivir en ambientes expuestos a una fuerte radiación ultravioleta producida por las calientes estrellas masivas en su región de formación estelar, incluyendo la que tarde o temprano explota como el observado GRB. Aunque también se observa una distribución similar en GRB 051022, esto aún debe ser confirmado debido a la falta de resolución (dado que el anfitrión del GRB 051022 está situado más lejos que el que alberga al GRB 020819B). En cualquier caso, estas observaciones de ALMA apoyan la hipótesis de que el polvo que absorbe la radiación de la luminiscencia residual es el responsable de generar explosiones oscuras de rayos gamma.

«Los resultados obtenidos esta vez superaron nuestras expectativas. Tenemos que realizar más observaciones con otras galaxias donde haya estallidos de rayos gamma para saber si estas son las condiciones normales de este tipo de galaxia. Esperamos poder investigar más cuando ALMA haya alcanzado todo su potencia», concluye Hatsukade.

Notas

[1] Los estallidos de rayos gamma de larga duración (LGRBs), que duran algo más de dos segundos, representan aproximadamente el 70% de los GRB observados. Los desarrollos llevados a cabo en la última década han reconocido una nueva clase de GRB con estallidos de menos de dos segundos, los GRB de corta duración, probablemente debido a la fusión de estrellas de neutrones y no asociados con supernovas o hipernovas.

[2] La sensibilidad de ALMA en esta observación era cinco veces mejor que la llevada a cabo con otros telescopios similares. Las primeras observaciones científicas con ALMA comenzaron con sólo 16 antenas en 2011. Estas observaciones se realizaron con un conjunto de 24–27 antenas con separaciones de hasta sólo 125 metros. La instalación de la última de las 66 antenas es una promesa de lo que ALMA será capaz de revelar en un futuro próximo, ya que las antenas de pueden posicionarse en diferentes configuraciones, con distancias máximas entre las antenas que van de los 150 metros a los 16 kilómetros.

[3] La proporción de la masa de polvo con respecto a la masa de gas molecular masa es de un 1% en el medio interestelar en la Vía Láctea y en galaxias cercanas de formación estelar, pero es diez o más veces mayor en la región que rodea al GRB 020819B.

Información adicional

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.

Este trabajo será presentado en un artículo en la revista Nature (el 12 de junio de 2014) titulado “Two gamma-ray bursts from dusty regions with little molecular gas”, por B. Hatsukade et al.

El equipo está compuesto por B. Hatsukade (NAOJ, Tokio, Japón), K. Ohta (Departamento de Astronomía, Universidad de Kioto, Japón), A. Endo (Instituto Kavli de Nanociencias, TU Delft, Países Bajos), K. Nakanishi (NAOJ; JAO, Santiago, Chile; The Graduate University for Advanced Studies (Sokendai), Tokio, Japón), Y. Tamura (Instituto de Astronomía [IoA], Universidad de Tokio, Japón), T. Hashimoto (NAOJ) y K. Kohno (IoA; Centro de Investigación del Universo Temprano, Universidad de Tokio, Japón).

Contactos:

Bunyo Hatsukade
Profesor asistente de proyecto,
Observatorio Astronómico Nacional de Japón en Chile
Tel: +81-422-34-3900 (ext. 3173)
Email: bunyo.hatsukade@nao.ac.jp

Valeria Foncea 
Directora de Comunicaciones y Educación
Observatorio ALMA
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2467 6258
Cel: +56 9 7587 1963
Correo electrónico: vfoncea@alma.cl 

Masaaki Hiramatsu
Encargado de Educación y Extensión, NAOJ Chile
Observatorio de Tokio, Japón
Tel: +81 422 34 3630
Correo electrónico: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp 

Charles E. Blue 
Encargado de Comunicaciones
Observatorio Nacional de Radio Astronomía
Charlottesville VA, EE.UU.
Tel: +1 434 244 6896
Cell: +1 434.242.9559
E-mail: cblue@nrao.edu 

Richard Hook
Encargado de Prensa, ESO
Garching, Alemania
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