La historia de los rayos gamma [1] comenzó con la detección fortuita de un estallido de rayos gamma (GRB) el 2 de julio de 1967 por parte de los satélites Vela de Estados Unidos . Después de que estos satélites detectaran otros quince GRB, Ray Klebesadel , del Laboratorio Nacional de Los Álamos, publicó el primer artículo sobre el tema, Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin (Observaciones de estallidos de rayos gamma de origen cósmico) . [2] A medida que se realizaron más investigaciones sobre estos misteriosos eventos, se desarrollaron cientos de modelos en un intento de explicar sus orígenes.
Los satélites Vela de detección de pruebas nucleares de Estados Unidos descubrieron los estallidos de rayos gamma a finales de los años 1960. Los Vela fueron construidos para detectar pulsos de radiación gamma emitidos por pruebas de armas nucleares en el espacio. Estados Unidos sospechaba que la URSS podría intentar realizar pruebas nucleares secretas después de firmar el Tratado de Prohibición de Pruebas Nucleares en 1963. Mientras que la mayoría de los satélites orbitaban a unas 500 millas sobre la superficie de la Tierra, los satélites Vela orbitaban a una altitud de 65.000 millas. A esta altura, los satélites orbitaban por encima del cinturón de radiación de Van Allen , lo que reducía el ruido en los sensores. La altura adicional también significaba que los satélites podían detectar explosiones detrás de la Luna , un lugar donde el gobierno de Estados Unidos sospechaba que la Unión Soviética intentaría ocultar pruebas de armas nucleares. El sistema Vela generalmente tenía cuatro satélites operativos en un momento dado, de modo que una señal de rayos gamma podía detectarse en múltiples ubicaciones. Esto hizo posible localizar la fuente de la señal en una región relativamente compacta del espacio. Si bien estas características se incorporaron al sistema Vela para mejorar la detección de armas nucleares, estas mismas características fueron las que hicieron que los satélites fueran capaces de detectar estallidos de rayos gamma. [3]
El 2 de julio de 1967, a las 14:19 UTC , los satélites Vela 4 y Vela 3 detectaron un destello de radiación gamma que no se parecía a ninguna firma de armas nucleares conocida. [4] Las bombas nucleares producen un estallido muy breve e intenso de rayos gamma de menos de una millonésima de segundo. Luego, la radiación se desvanece de manera constante a medida que los núcleos inestables se desintegran . La señal detectada por los satélites Vela no tenía ni el intenso destello inicial ni el desvanecimiento gradual, sino que había dos picos distintos en la curva de luz. [3] Las erupciones solares y las nuevas supernovas eran las otras dos explicaciones posibles para el evento, pero ninguna había ocurrido ese día. [4] Sin estar claro sobre lo que había sucedido, pero sin considerar el asunto particularmente urgente, el equipo del Laboratorio Científico de Los Álamos , dirigido por Ray Klebesadel , archivó los datos para una investigación posterior.
El satélite Vela 5 fue lanzado el 23 de mayo de 1969. Como la sensibilidad y la resolución temporal de estos satélites eran significativamente más precisas que las de los instrumentos del Vela 4, el equipo de Los Álamos esperaba que estos nuevos satélites detectaran más explosiones de rayos gamma. A pesar de la enorme cantidad de señales de fondo captadas por los nuevos detectores, el equipo de investigación encontró doce eventos que no habían coincidido con ninguna llamarada solar o supernova. Algunas de las nuevas detecciones también mostraban el mismo patrón de doble pico que había sido observado por el Vela 4. [4]
Aunque su instrumentación no ofrecía ninguna mejora con respecto a la del Vela 5, los satélites Vela 6 fueron lanzados el 8 de abril de 1970 con la intención de determinar la dirección desde la que llegaban los rayos gamma. Las órbitas de los satélites Vela 6 se eligieron para que estuvieran lo más alejadas posible del Vela 5, generalmente del orden de 10.000 kilómetros de distancia. Esta separación significaba que, a pesar de que los rayos gamma viajaban a la velocidad de la luz , una señal sería detectada en momentos ligeramente diferentes por diferentes satélites. Al analizar los tiempos de llegada, Klebesadel y su equipo rastrearon con éxito dieciséis estallidos de rayos gamma. La distribución aleatoria de los estallidos en el cielo dejó en claro que los estallidos no provenían del Sol, la Luna u otros planetas de nuestro sistema solar . [4]
En 1973, Ray Klebesadel, Roy Olson e Ian Strong del Laboratorio Científico de la Universidad de California en Los Álamos publicaron Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin , en el que se identificaba una fuente cósmica para las observaciones de rayos gamma hasta entonces inexplicadas. [2] Poco después, Klebesadel presentó sus hallazgos en la 140.ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense. Aunque sólo fue entrevistado por The National Enquirer , la noticia del descubrimiento se difundió rápidamente por la comunidad científica. [5] Entre 1973 y 2001 se publicaron más de 5300 artículos sobre los GRB. [6]
Poco después del descubrimiento de los estallidos de rayos gamma, surgió un consenso general dentro de la comunidad astronómica de que para determinar qué los causaba, tendrían que identificarse con objetos astronómicos en otras longitudes de onda, particularmente la luz visible, ya que este enfoque se había aplicado con éxito en los campos de la astronomía de rayos X de radio . Este método requeriría posiciones mucho más precisas de varios estallidos de rayos gamma de las que el sistema Vela podía proporcionar. [7] Una mayor precisión requería que los detectores estuvieran más espaciados. En lugar de lanzar satélites solo a la órbita de la Tierra, se consideró necesario distribuir los detectores por todo el sistema solar.
A finales de 1978 se había completado la primera Red Interplanetaria ( IPN ). Además de los satélites Vela, la IPN incluía cinco nuevas sondas espaciales: la rusa Prognoz 7 , en órbita alrededor de la Tierra, la alemana Helios 2 , en órbita elíptica alrededor del Sol, y las sondas Pioneer Venus Orbiter , Venera 11 y Venera 12 de la NASA , cada una de las cuales orbitaba Venus . El equipo de investigación del Instituto Ruso de Investigación Espacial en Moscú, dirigido por Kevin Hurley, pudo utilizar los datos recopilados por la IPN para determinar con precisión la posición de los estallidos de rayos gamma con una precisión de unos pocos minutos de arco . Sin embargo, incluso cuando se utilizaban los telescopios más potentes disponibles, no se pudo encontrar nada de interés dentro de las regiones determinadas. [8]
Para explicar la existencia de los estallidos de rayos gamma, se propusieron muchas teorías especulativas, la mayoría de las cuales postulaban fuentes galácticas cercanas . Sin embargo, se hicieron pocos avances hasta el lanzamiento en 1991 del Observatorio de Rayos Gamma Compton y su instrumento Burst and Transient Source Explorer ( BATSE ), un detector de rayos gamma extremadamente sensible. Este instrumento proporcionó datos cruciales que indicaban que los GRB son isotrópicos (no están sesgados hacia ninguna dirección particular en el espacio, como hacia el plano galáctico o el Centro Galáctico ). [9] Debido a que la Vía Láctea tiene una estructura muy plana, si los estallidos de rayos gamma se originaran desde dentro de la Vía Láctea, no se distribuirían isotrópicamente a través del cielo, sino que se concentrarían en el plano de la Vía Láctea. Aunque la luminosidad de los estallidos sugería que tenían que originarse dentro de la Vía Láctea, la distribución proporcionó evidencia muy sólida de lo contrario. [10] [11]
Los datos de BATSE también mostraron que los GRB se dividen en dos categorías distintas: ráfagas de corta duración y espectro duro ("ráfagas cortas") y ráfagas de larga duración y espectro suave ("ráfagas largas"). [12] Las ráfagas cortas suelen tener una duración inferior a dos segundos y están dominadas por fotones de mayor energía ; las ráfagas largas suelen tener una duración superior a dos segundos y están dominadas por fotones de menor energía. La separación no es absoluta y las poblaciones se superponen observacionalmente, pero la distinción sugiere dos clases diferentes de progenitores. Sin embargo, algunos creen que existe un tercer tipo de GRB. [13] [14] [15] [16] Se plantea la hipótesis de que los tres tipos de GRB reflejan tres orígenes diferentes: fusiones de sistemas de estrellas de neutrones, fusiones entre enanas blancas y estrellas de neutrones y el colapso de estrellas masivas. [17]
Durante décadas después del descubrimiento de los GRB, los astrónomos buscaron una contraparte: cualquier objeto astronómico en coincidencia posicional con un estallido observado recientemente. Los astrónomos consideraron muchos objetos distintos, incluyendo enanas blancas , púlsares , supernovas , cúmulos globulares , cuásares , galaxias Seyfert y objetos BL Lac . [18] Los investigadores buscaron específicamente objetos con propiedades inusuales que pudieran estar relacionadas con los estallidos de rayos gamma: alto movimiento propio , polarización , modulación del brillo orbital, parpadeo rápido en la escala de tiempo, colores extremos, líneas de emisión o una forma inusual. [19] Desde el descubrimiento de los GRB hasta la década de 1980, GRB 790305b [nb 1] fue el único evento que se identificó con un objeto fuente candidato: [18] la nebulosa N49 en la Gran Nube de Magallanes . [20] Todos los demás intentos fallaron debido a la mala resolución de los detectores disponibles. La mejor esperanza parecía residir en encontrar una emisión más débil, más apagada y de mayor longitud de onda después del estallido mismo, el "resplandor residual" de un GRB. [21]
En 1980, un grupo de investigación dirigido por Livio Scarsi en la Universidad de Roma comenzó a trabajar en Satellite per Astronomia X , un satélite de investigación astronómica de rayos X. El proyecto se convirtió en una colaboración entre la Agencia Espacial Italiana y la Agencia Holandesa para Programas Aeroespaciales . Aunque el satélite originalmente estaba destinado a servir con el único propósito de estudiar rayos X, Enrico Costa del Istituto di Astrofisica Spaziale sugirió que los cuatro escudos protectores del satélite podrían servir fácilmente como detectores de ráfagas de rayos gamma. [22] Después de 10 años de retrasos y un costo final de aproximadamente $ 350 millones, [23] el satélite, rebautizado BeppoSAX en honor a Giuseppe Occhialini , [24] fue lanzado el 30 de abril de 1996. [25]
En 1983, un equipo compuesto por Stan Woosley , Don Lamb, Ed Fenimore, Kevin Hurley y George Ricker comenzó a discutir los planes para un nuevo satélite de investigación de GRB, el High Energy Transient Explorer ( HETE ). [26] Aunque muchos satélites ya proporcionaban datos sobre GRB, HETE sería el primer satélite dedicado por completo a la investigación de GRB. [27] El objetivo era que HETE pudiera localizar estallidos de rayos gamma con mucha mayor precisión que los detectores BATSE. El equipo presentó una propuesta a la NASA en 1986 según la cual el satélite estaría equipado con cuatro detectores de rayos gamma, una cámara de rayos X y cuatro cámaras electrónicas para detectar luz visible y ultravioleta. El proyecto debía costar 14,5 millones de dólares y el lanzamiento se había planeado originalmente para el verano de 1994. [26] El cohete Pegasus XL , que lanzó HETE el 4 de noviembre de 1996, no liberó sus dos satélites, por lo que las misiones HETE y SAC-B, un satélite de investigación argentino también a bordo, se acoplaron al cohete y no pudieron dirigir sus paneles solares hacia el sol, y un día después del lanzamiento, se perdió todo contacto por radio con los satélites. [28] El eventual sucesor de la misión, HETE 2, se lanzó con éxito el 9 de octubre de 2000. Observó su primer GRB el 13 de febrero de 2001. [29]
BeppoSAX detectó su primer estallido de rayos gamma GRB960720 el 20 de julio de 1996 [30] a partir de un estallido de rayos X en una de las dos cámaras de campo amplio (WFC), pero no fue descubierto en los datos hasta seis semanas después, por un científico holandés que comprobaba sistemáticamente los estallidos de WFC que coincidían en el tiempo con los disparadores BATSE desde la misma dirección. Las observaciones de radio de seguimiento con el Very Large Array realizadas por Dale Frail no encontraron un resplandor en la posición derivada de los datos deconvolucionados, pero se pudo establecer un procedimiento rutinario para encontrar estallidos de rayos gamma con BeppoSAX. Esto llevó a la detección de un estallido de rayos gamma el 11 de enero de 1997, y una de sus cámaras de campo amplio también detectó rayos X en el mismo momento que coincidían con un disparador BATSE. John Heise, científico holandés del proyecto WFC de BeppoSAX, deconvolucionó rápidamente los datos de los WFC utilizando el software de Jean in 't Zand, un ex espectroscopista de rayos gamma holandés del Centro de Vuelos Espaciales Goddard , y en menos de 24 horas, produjo una posición del cielo con una precisión de unos 10 minutos de arco. [31] Aunque este nivel de precisión ya había sido superado por las redes interplanetarias, no pudieron producir los datos tan rápidamente como Heise. [32] En los días siguientes, Dale Frail, trabajando con el Very Large Array, detectó una única fuente de radio que se desvanecía dentro del cuadro de error, un objeto BL Lac . Se escribió un artículo para Nature que afirmaba que este evento demostraba que los GRB se originaban en galaxias activas. Sin embargo, Jean in 't Zand reescribió el software de deconvolución de WFC para producir una posición con una precisión de 3 minutos de arco, y el objeto BL Lac ya no estaba dentro del cuadro de error reducido. A pesar de que BeppoSAX había observado rayos X y un GRB y de que la posición se conocía ese mismo día, no se identificó la fuente del estallido. [31]
El éxito del equipo BeppoSAX llegó en febrero de 1997, menos de un año después de su lanzamiento. Un WFC BeppoSAX detectó un estallido de rayos gamma ( GRB 970228 ), y cuando la cámara de rayos X a bordo de BeppoSAX se apuntó hacia la dirección desde la que se había originado el estallido, detectó una emisión de rayos X que se desvanecía. Los telescopios terrestres identificaron más tarde también una contraparte óptica que se desvanecía. [33] Una vez identificada la ubicación de este evento, una vez que el GRB se desvaneció, las imágenes profundas pudieron identificar una galaxia anfitriona débil y muy distante en la ubicación del GRB. En solo unas pocas semanas, la larga controversia sobre la escala de distancia terminó: los GRB eran eventos extragalácticos que se originaban dentro de galaxias débiles a enormes distancias. [nb 2] Al establecer finalmente la escala de distancia, caracterizar los entornos en los que ocurren los GRB y proporcionar una nueva ventana a los GRB tanto observacional como teóricamente, este descubrimiento revolucionó el estudio de los GRB. [34]
Dos grandes avances también ocurrieron con el siguiente evento registrado por BeppoSAX, GRB 970508. Este evento fue localizado dentro de las 4 horas posteriores a su descubrimiento, lo que permitió a los equipos de investigación comenzar a realizar observaciones mucho antes que cualquier explosión anterior. Al comparar fotografías del cuadro de error tomadas el 8 y el 9 de mayo (el día del evento y el día siguiente), se encontró que un objeto había aumentado en brillo. Entre el 10 y el 15 de mayo, Charles Steidel registró el espectro del objeto variable desde el Observatorio WM Keck . Mark Metzger analizó el espectro y determinó un corrimiento al rojo de z = 0,835, colocando la explosión a una distancia de aproximadamente 6 mil millones de años luz. Esta fue la primera determinación precisa de la distancia a un GRB, y demostró además que los GRB ocurren en galaxias extremadamente distantes. [35]
Antes de la localización de GRB 970228, las opiniones diferían en cuanto a si los GRB emitirían o no ondas de radio detectables. Bohdan Paczyński y James Rhoads publicaron un artículo en 1993 prediciendo resplandores de radio, pero Martin Rees y Peter Mészáros concluyeron que, debido a las grandes distancias entre los GRB y la Tierra, cualquier onda de radio producida sería demasiado débil para ser detectada. [36] Aunque GRB 970228 estuvo acompañado de un resplandor óptico, ni el Very Large Array ni el Westerbork Synthesis Radio Telescope pudieron detectar un resplandor de radio . Sin embargo, cinco días después de GRB 970508, Dale Frail , trabajando con el Very Large Array en Nuevo México , observó ondas de radio del resplandor en longitudes de onda de 3,5 cm, 6 cm y 21 cm. La luminosidad total varió ampliamente de una hora a otra, pero no simultáneamente en todas las longitudes de onda. Jeremy Goodman, de la Universidad de Princeton, explicó que las fluctuaciones erráticas eran resultado de la centelleo causada por las vibraciones en la atmósfera terrestre, que ya no se produce cuando la fuente tiene un tamaño aparente mayor de 3 microsegundos de arco. Después de varias semanas, las fluctuaciones de luminosidad se habían disipado. Utilizando esta información y la distancia al evento, se determinó que la fuente de ondas de radio se había expandido casi a la velocidad de la luz . Nunca antes se había obtenido información precisa sobre las características físicas de una explosión de rayos gamma. [37]
Además, debido a que GRB 970508 se observó en muchas longitudes de onda diferentes, fue posible formar un espectro muy completo para el evento. Ralph Wijers y Titus Galama intentaron calcular varias propiedades físicas del estallido, incluida la cantidad total de energía en el estallido y la densidad del medio circundante. Utilizando un extenso sistema de ecuaciones , pudieron calcular estos valores como 3 × 10 52 ergios y 30.000 partículas por metro cúbico, respectivamente. Aunque los datos de observación no fueron lo suficientemente precisos como para que sus resultados se consideraran particularmente confiables, Wijers y Galama demostraron que, en principio, sería posible determinar las características físicas de los GRB basándose en sus espectros. [38]
El siguiente estallido cuyo corrimiento al rojo se calculó fue el GRB 971214, con un corrimiento al rojo de 3,42, a una distancia de aproximadamente 12 mil millones de años luz de la Tierra. Utilizando el corrimiento al rojo y las mediciones precisas de brillo realizadas tanto por BATSE como por BeppoSAX, Shrinivas Kulkarni , que había registrado el corrimiento al rojo en el Observatorio WM Keck, calculó que la cantidad de energía liberada por el estallido en medio minuto era de 3×10 53 ergios, varios cientos de veces más energía que la liberada por el Sol en 10 mil millones de años. El estallido fue proclamado como la explosión más energética que haya ocurrido desde el Big Bang , lo que le valió el apodo de Big Bang 2. Esta explosión presentó un dilema para los teóricos del GRB: o bien este estallido produjo más energía de la que podría explicarse con cualquiera de los modelos existentes, o bien el estallido no emitió energía en todas las direcciones, sino en haces muy estrechos que apuntaban directamente a la Tierra. Aunque la explicación de los rayos reduciría la producción total de energía a una fracción muy pequeña del cálculo de Kulkarni, también implica que por cada explosión observada en la Tierra, ocurren varios cientos que no se observan porque sus rayos no apuntan hacia la Tierra. [39]
En noviembre de 2019, los astrónomos informaron sobre una notable explosión de rayos gamma , llamada GRB 190114C , detectada inicialmente en enero de 2019, que, hasta ahora, se ha determinado que tuvo la energía más alta, 1 Tera electronvoltios (Tev) , jamás observada para un evento cósmico de este tipo. [40] [41]
El Konus-Wind se lanzó a bordo de la nave espacial Wind el 1 de noviembre de 1994. El experimento consiste en dos espectrómetros de rayos gamma idénticos montados en sitios opuestos de la nave espacial, de modo que se pueda observar todo el cielo. [42]
INTEGRAL , el Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma de la Agencia Espacial Europea , fue lanzado el 17 de octubre de 2002. Es el primer observatorio capaz de observar simultáneamente objetos en longitudes de onda de rayos gamma, rayos X y visibles. [43]
El satélite Swift de la NASA se lanzó en noviembre de 2004. Combina un detector de rayos gamma sensible con la capacidad de apuntar los telescopios ópticos y de rayos X a bordo hacia la dirección de un nuevo estallido en menos de un minuto después de que se detecte el estallido. [44] Los descubrimientos de Swift incluyen las primeras observaciones de breves resplandores de estallidos y grandes cantidades de datos sobre el comportamiento de los resplandores de GRB en las primeras etapas de su evolución, incluso antes de que la emisión de rayos gamma del GRB haya cesado. La misión también ha descubierto grandes llamaradas de rayos X que aparecen en cuestión de minutos a días después del final del GRB.
El 11 de junio de 2008 se lanzó el Telescopio Espacial de Gran Área de Rayos Gamma (GLAST) de la NASA, posteriormente rebautizado como Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi . Los objetivos de la misión incluyen "descifrar los misterios de las explosiones increíblemente poderosas conocidas como estallidos de rayos gamma". [45]
Otra misión de observación de estallidos de rayos gamma es AGILE . Los descubrimientos de estallidos de rayos gamma se realizan a medida que se detectan a través de la red de coordenadas de estallidos de rayos gamma, de modo que los investigadores puedan enfocar rápidamente sus instrumentos en la fuente del estallido para observar los resplandores.