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Su potencia es un billón de veces superior a la de la luz visible
Los astrónomos han descubierto los fotones de mayor energía del universo a partir de una explosión de rayos gamma, detectada a 4.500 millones de años luz de la Tierra. Su energía es un billón de veces más intensa que la de la luz visible.
Representación artística del primer estallido de rayos gamma en altas energías detectado por MAGIC.
El 14 de enero de 2019, dos satélites espaciales, el Neil Gehrels Swift Observatory y el Fermi Gamma-ray Space Telescope, descubrieron independientemente un estallido de rayos gamma (GRB, “gamma ray bursts&rdquo
que se ha erigido como la explosión más violenta del universo.
Al estallido se le llamó GRB 190114C, y en 22 segundos, sus coordenadas en el cielo se distribuyeron en forma de alerta electrónica a los astrónomos de todo el mundo.
Dos telescopios Cherenkov de 17 metros de diámetro ubicados en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), que forman parte de la colaboración MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope), detectaron la deflagración cósmica.
Los GRB aparecen repentinamente en el cielo, aproximadamente, una vez al día. Se cree que son el resultado del colapso de estrellas masivas o de la fusión de estrellas de neutrones en galaxias distantes.
Comienzan con un destello inicial muy brillante, llamado emisión rápida, con una duración que varía desde una fracción de segundo hasta cientos de segundos.
Esta emisión inmediata se acompaña de una post-luminiscencia, una emisión más débil, pero de mayor duración, en un amplio rango de longitudes de onda.
El GRB detectado por los telescopios MAGIC revela los fotones de mayor energía registrados hasta ahora provenientes de estos objetos.
Esta observación sin precedentes proporciona la primera evidencia de un proceso de emisión distinto en la post-luminiscencia y aporta nuevos indicios para comprender los procesos físicos que suceden en los GRB, los cuales aún son un misterio.
Potente energía
El análisis de los datos recogidos durante las primeras decenas de segundos de la explosión revela la emisión de fotones en la post-luminiscencia que alcanzan energías de teraelectronvoltios (TeV) un billón de veces más energéticos que la luz visible.
Durante este tiempo, la emisión de fotones de TeV del GRB 190114C fue 100 veces más intensa que la fuente estable más brillante conocida en estas energías, la Nebulosa del Cangrejo.
Así, el GRB 190114C pasó a ostentar el récord de ser la fuente más brillante conocida de fotones de TeV.
La emisión se desvaneció rápidamente con el tiempo, igual que la post-luminiscencia ya observada a energías más bajas. Los últimos destellos fueron vistos por MAGIC media hora después.
Es la primera vez que la Colaboración MAGIC anuncia la detección inequívoca de fotones de TeV de un GRB a la comunidad internacional de astrónomos, sólo unas horas después de las alertas enviadas por los satélites, tras una cuidadosa verificación de los datos preliminares.
Esto facilitó una extensa campaña de observaciones en múltiples longitudes de onda del GRB 190114C, con la contribución de más de dos docenas de observatorios e instrumentos, proporcionando una cobertura completa de este GRB desde la banda de radio hasta las energías TeV.
Aunque la emisión de TeV en la post-luminiscencia de los GRB se había predicho en algunos estudios teóricos, nunca antes se había confirmado experimentalmente, a pesar de numerosos esfuerzos en las últimas décadas con varios instrumentos, incluido MAGIC.
Las energías que desencadenan la producción de fotones TeV son mucho más altas de lo que se puede esperar de la conocida como radiación sincrotrón, causada por los electrones de alta energía en movimiento dentro de campos magnéticos.
Este proceso se considera responsable de la emisión que se había observado anteriormente a energías más bajas en la post-luminiscencia de los GRB.
"Estos nuevos resultados, junto con los numerosos datos en múltiples longitudes de onda, proporcionan la primera evidencia inequívoca de un proceso de emisión adicional y distinto en la post-luminiscencia", explica Elena Moretti, astrofísica de la comunidad española y una de las principales autoras de los resultados.
El análisis de los datos indica que el mecanismo responsable de esta emisión es el llamado proceso de Compton inverso, donde los electrones transfieren energía al colisionar con la población de fotones existentes, haciéndolos más energéticos.
"Después de más de 50 años desde que se descubrieron los GRB, muchos de sus aspectos fundamentales siguen siendo un misterio", añade Razmik Mirzoyan, el portavoz de la Colaboración MAGIC.
"El descubrimiento de la emisión de rayos gamma en el GRB 190114C en la banda TeV del espectro electromagnético muestra que los GRB son aún más potentes de lo que se pensaba. La riqueza de los datos del GRB 190114C adquiridos por MAGIC y las extensas observaciones de seguimiento en múltiples longitudes de onda, ofrecen pistas importantes para desentrañar algunos de los misterios relacionados con los procesos físicos que suceden en los GRB".
A 4.500 millones de años luz
Un estudio comparativo de todas las observaciones anteriores de GRB por MAGIC sugiere que el GRB 190114C no fue un evento particularmente único, excepto por su relativa proximidad (a unos 4.500 millones de años luz de la Tierra), y que la detección exitosa se debe al excelente rendimiento del instrumento.
Con la detección del GRB 190114C, MAGIC abre una nueva ventana para estudiar los GRB. Todo indica que se pueden detectar muchos más GRB en las energías del TeV y facilitar el camino para una comprensión mucho más profunda de estas fascinantes explosiones cósmicas.
Referencias
Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst. MAGIC Collaboration, P. Veres et al. Nature volume 575, pages459–463(2019). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1754-6
Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C. MAGIC Collaboration. Nature volume 575, pages455–458(2019). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1750-x