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Explosión de rayos gamma

Ilustración de un artista que muestra la vida de una estrella masiva a medida que la fusión nuclear convierte elementos más ligeros en otros más pesados. Cuando la fusión ya no genera suficiente presión para contrarrestar la gravedad, la estrella colapsa rápidamente y forma un agujero negro . En teoría, durante el colapso a lo largo del eje de rotación se puede liberar energía para formar un GRB.

En astronomía de rayos gamma , los estallidos de rayos gamma ( GRBs ) son explosiones inmensamente energéticas que se han observado en galaxias distantes , siendo los eventos explosivos más brillantes y extremos en todo el universo, [1] [2] [3] como la NASA describe los estallidos como la "clase más poderosa de explosiones en el universo". [4] Son los eventos electromagnéticos más energéticos y luminosos desde el Big Bang . [5] [6] Los estallidos de rayos gamma pueden durar desde diez milisegundos a varias horas. [7] [8] Después del destello inicial de rayos gamma , se emite un "resplandor", que dura más y generalmente se emite en longitudes de onda más largas ( rayos X , ultravioleta , óptico , infrarrojo , microondas y radio ). [9]

Se cree que la radiación intensa de la mayoría de los GRB observados se libera durante una supernova o una supernova superluminosa cuando una estrella de gran masa implosiona para formar una estrella de neutrones o un agujero negro . Una subclase de GRB parece originarse a partir de la fusión de estrellas de neutrones binarias . [10]

Las fuentes de la mayoría de los GRB están a miles de millones de años luz de la Tierra , lo que implica que las explosiones son extremadamente energéticas (un estallido típico libera tanta energía en unos pocos segundos como el Sol en toda su vida de 10 mil millones de años) [11] y extremadamente raras (unas pocas por galaxia por millón de años [12] ). Todos los GRB observados se han originado fuera de la Vía Láctea , aunque una clase relacionada de fenómenos, los repetidores gamma suaves , están asociados con magnetares dentro de la Vía Láctea. Se ha planteado la hipótesis de que un estallido de rayos gamma en la Vía Láctea , apuntando directamente hacia la Tierra, podría causar un evento de extinción masiva . [13] Algunos investigadores han planteado la hipótesis de que la extinción masiva del Ordovícico Tardío se produjo como resultado de un estallido de rayos gamma de este tipo. [14] [15] [16]

Los GRB fueron detectados por primera vez en 1967 por los satélites Vela , que habían sido diseñados para detectar pruebas encubiertas de armas nucleares ; después de un análisis exhaustivo, esto se publicó en 1973. [17] Después de su descubrimiento, se propusieron cientos de modelos teóricos para explicar estas explosiones, como colisiones entre cometas y estrellas de neutrones . [18] Había poca información disponible para verificar estos modelos hasta la detección en 1997 de los primeros resplandores ópticos y de rayos X y la medición directa de sus desplazamientos al rojo mediante espectroscopia óptica , y por lo tanto sus distancias y salidas de energía. Estos descubrimientos, y los estudios posteriores de las galaxias y supernovas asociadas con las explosiones, aclararon la distancia y la luminosidad de los GRB, ubicándolos definitivamente en galaxias distantes.

Historia

Posiciones en el cielo de todos los estallidos de rayos gamma detectados durante la misión BATSE. La distribución es isotrópica , sin concentración hacia el plano de la Vía Láctea, que discurre horizontalmente por el centro de la imagen.

Los primeros estallidos de rayos gamma fueron observados a finales de los años 1960 por los satélites Vela de Estados Unidos, que fueron construidos para detectar pulsos de radiación gamma emitidos por armas nucleares probadas en el espacio. Estados Unidos sospechaba que la Unión Soviética podría intentar realizar pruebas nucleares secretas después de firmar el Tratado de Prohibición de Ensayos Nucleares en 1963. [19] El 2 de julio de 1967, a las 14:19 UTC , los satélites Vela 4 y Vela 3 detectaron un destello de radiación gamma diferente a cualquier firma de armas nucleares conocida. [20] Sin estar seguro de lo que había sucedido, pero sin considerar el asunto particularmente urgente, el equipo del Laboratorio Nacional de Los Álamos , dirigido por Ray Klebesadel , archivó los datos para su investigación. A medida que se lanzaban más satélites Vela con mejores instrumentos, el equipo de Los Álamos continuó encontrando estallidos de rayos gamma inexplicables en sus datos. Al analizar los diferentes tiempos de llegada de las explosiones detectadas por distintos satélites, el equipo pudo determinar estimaciones aproximadas de las posiciones en el cielo de 16 explosiones [20] [21] y descartar definitivamente un origen terrestre o solar. Contrariamente a la creencia popular, los datos nunca fueron clasificados. [22] Después de un análisis exhaustivo, los hallazgos se publicaron en 1973 como un artículo de la revista Astrophysical Journal titulado "Observaciones de explosiones de rayos gamma de origen cósmico". [17]

La mayoría de las primeras hipótesis sobre los estallidos de rayos gamma postulaban fuentes cercanas dentro de la Vía Láctea . A partir de 1991, el Observatorio Compton de Rayos Gamma (CGRO) y su instrumento Burst and Transient Source Explorer ( BATSE ), un detector de rayos gamma extremadamente sensible, proporcionaron datos que mostraban que la distribución de los GRB es isotrópica  , es decir, no sesgada hacia ninguna dirección particular en el espacio. [23] Si las fuentes fueran de dentro de nuestra propia galaxia, estarían fuertemente concentradas en o cerca del plano galáctico. La ausencia de cualquier patrón de este tipo en el caso de los GRB proporcionó una fuerte evidencia de que los estallidos de rayos gamma deben provenir de más allá de la Vía Láctea. [24] [25] [26] [27] Sin embargo, algunos modelos de la Vía Láctea todavía son consistentes con una distribución isotrópica. [24] [28]

Objetos homólogos como fuentes candidatas

Durante décadas después del descubrimiento de los GRB, los astrónomos buscaron una contraparte en otras longitudes de onda: es decir, cualquier objeto astronómico en coincidencia posicional con un estallido observado recientemente. Los astrónomos consideraron muchas clases distintas de objetos, incluyendo enanas blancas , púlsares , supernovas , cúmulos globulares , cuásares , galaxias Seyfert y objetos BL Lac . [29] Todas estas búsquedas fueron infructuosas, [nb 1] y en unos pocos casos se pudo demostrar claramente que estallidos particularmente bien localizados (aquellos cuyas posiciones se determinaron con lo que entonces era un alto grado de precisión) no tenían objetos brillantes de ninguna naturaleza consistentes con la posición derivada de los satélites de detección. Esto sugería un origen de estrellas muy débiles o galaxias extremadamente distantes. [30] [31] Incluso las posiciones más precisas contenían numerosas estrellas y galaxias débiles, y se acordó ampliamente que la resolución final de los orígenes de los estallidos de rayos gamma cósmicos requeriría tanto nuevos satélites como una comunicación más rápida. [32]

Resplandor crepuscular

El satélite italo-holandés BeppoSAX , lanzado en abril de 1996, proporcionó las primeras posiciones precisas de estallidos de rayos gamma, permitiendo realizar observaciones de seguimiento e identificar las fuentes.

Varios modelos para el origen de los estallidos de rayos gamma postularon que el estallido inicial de rayos gamma debería ser seguido por un resplandor : emisión que se desvanece lentamente en longitudes de onda más largas creadas por colisiones entre el material expulsado del estallido y el gas interestelar. [33] Las primeras búsquedas de este resplandor no tuvieron éxito, en gran parte porque es difícil observar la posición de un estallido en longitudes de onda más largas inmediatamente después del estallido inicial. El gran avance se produjo en febrero de 1997 cuando el satélite BeppoSAX detectó un estallido de rayos gamma ( GRB 970228 [nb 2] ) y cuando la cámara de rayos X se apuntó hacia la dirección desde la que se había originado el estallido, detectó una emisión de rayos X que se desvanecía. El telescopio William Herschel identificó una contraparte óptica que se desvanecía 20 horas después del estallido. [34] Una vez que el GRB se desvaneció, las imágenes profundas pudieron identificar una galaxia anfitriona débil y distante en la ubicación del GRB, como lo señaló el resplandor óptico. [35] [36]

Debido a la muy débil luminosidad de esta galaxia, su distancia exacta no fue medida durante varios años. Mucho después, otro gran avance ocurrió con el siguiente evento registrado por BeppoSAX, GRB 970508. Este evento fue localizado dentro de las cuatro horas de su descubrimiento, permitiendo a los equipos de investigación comenzar a hacer observaciones mucho antes que cualquier explosión anterior. El espectro del objeto reveló un corrimiento al rojo de z  = 0.835, colocando la explosión a una distancia de aproximadamente 6 mil millones  de años luz de la Tierra. [37] Esta fue la primera determinación precisa de la distancia a un GRB, y junto con el descubrimiento de la galaxia anfitriona de 970228 demostró que los GRB ocurren en galaxias extremadamente distantes. [35] [38] En unos pocos meses, la controversia sobre la escala de distancia terminó: los GRB eran eventos extragalácticos originados dentro de galaxias débiles a enormes distancias. Al año siguiente, el GRB 980425 fue seguido un día después por una supernova brillante ( SN 1998bw ), que coincidió en ubicación, lo que indica una clara conexión entre los GRB y la muerte de estrellas muy masivas. Este estallido proporcionó la primera pista sólida sobre la naturaleza de los sistemas que producen GRB. [39]

Instrumentos más recientes

La nave espacial Swift de la NASA se lanzó en noviembre de 2004

BeppoSAX funcionó hasta 2002 y CGRO (con BATSE) fue desorbitado en 2000. Sin embargo, la revolución en el estudio de los estallidos de rayos gamma motivó el desarrollo de una serie de instrumentos adicionales diseñados específicamente para explorar la naturaleza de los GRB, especialmente en los primeros momentos después de la explosión. La primera misión de este tipo, HETE-2 , [40] se lanzó en 2000 y funcionó hasta 2006, proporcionando la mayoría de los principales descubrimientos durante este período. Una de las misiones espaciales más exitosas hasta la fecha, Swift , se lanzó en 2004 y a mayo de 2024 todavía está operativa. [41] [42] Swift está equipado con un detector de rayos gamma muy sensible, así como telescopios ópticos y de rayos X a bordo, que pueden girarse rápida y automáticamente para observar la emisión de resplandor después de un estallido. Más recientemente, se lanzó la misión Fermi con el Monitor de Estallidos de Rayos Gamma , que detecta estallidos a un ritmo de varios cientos por año, algunos de los cuales son lo suficientemente brillantes como para ser observados a energías extremadamente altas con el Telescopio de Área Grande de Fermi . Mientras tanto, en tierra, se han construido o modificado numerosos telescopios ópticos para incorporar software de control robótico que responde inmediatamente a las señales enviadas a través de la Red de Coordenadas de Estallidos de Rayos Gamma . Esto permite que los telescopios vuelvan a apuntar rápidamente hacia un GRB, a menudo en cuestión de segundos después de recibir la señal y mientras la emisión de rayos gamma en sí todavía está en curso. [43] [44]

Los nuevos desarrollos desde la década de 2000 incluyen el reconocimiento de estallidos cortos de rayos gamma como una clase separada (probablemente de estrellas de neutrones fusionadas y no asociadas con supernovas), el descubrimiento de una actividad de llamaradas erráticas y extendidas en longitudes de onda de rayos X que duran muchos minutos después de la mayoría de los GRB, y el descubrimiento del objeto más luminoso ( GRB 080319B ) y el antiguo objeto más distante ( GRB 090423 ) del universo. [45] [46] El GRB más distante conocido, GRB 090429B , es ahora el objeto más distante conocido en el universo.

En octubre de 2018, los astrónomos informaron que GRB 150101B (detectado en 2015) y GW170817 , un evento de ondas gravitacionales detectado en 2017 (que se ha asociado con GRB170817A, una explosión detectada 1,7 segundos después), pueden haber sido producidos por el mismo mecanismo: la fusión de dos estrellas de neutrones . Las similitudes entre los dos eventos, en términos de emisiones de rayos gamma , ópticos y rayos X , así como en la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas , son "sorprendentes", lo que sugiere que los dos eventos separados pueden ser el resultado de la fusión de estrellas de neutrones, y ambos pueden ser una kilonova , que puede ser más común en el universo de lo que se creía anteriormente, según los investigadores. [47] [48] [49] [50]

La luz de mayor energía observada de un estallido de rayos gamma fue de un teraelectronvoltio , del GRB 190114C en 2019. [51] (Tenga en cuenta que esta es una energía aproximadamente mil veces menor que la luz de mayor energía observada de cualquier fuente, que es de 1,4 petaelectronvoltios a partir del año 2021. [52] )

El Space Variable Objects Monitor es un pequeño satélite telescopio de rayos X para estudiar las explosiones de estrellas masivas mediante el análisis de los estallidos de rayos gamma resultantes, desarrollado por la Administración Espacial Nacional de China (CNSA), la Academia China de Ciencias (CAS) y la Agencia Espacial Francesa ( CNES ), [53] lanzado el 22 de junio de 2024 (07:00:00 UTC).

La Agencia Espacial de Taiwán está lanzando un cubesat llamado The Gamma-ray Transients Monitor para rastrear GRB y otros transitorios de rayos gamma brillantes con energías que van desde 50 keV a 2 MeV en el cuarto trimestre de 2026. [54]

Clasificación

Curvas de luz de estallidos de rayos gamma

Las curvas de luz de los estallidos de rayos gamma son extremadamente diversas y complejas. [55] No hay dos curvas de luz de estallidos de rayos gamma que sean idénticas, [56] con una gran variación observada en casi todas las propiedades: la duración de la emisión observable puede variar desde milisegundos hasta decenas de minutos, puede haber un único pico o varios subpulsos individuales, y los picos individuales pueden ser simétricos o con un rápido aumento de brillo y un desvanecimiento muy lento. Algunos estallidos están precedidos por un evento " precursor ", un estallido débil que luego es seguido (después de segundos a minutos de no emisión en absoluto) por el episodio de estallido "verdadero" mucho más intenso. [57] Las curvas de luz de algunos eventos tienen perfiles extremadamente caóticos y complicados con casi ningún patrón discernible. [32]

Aunque algunas curvas de luz pueden reproducirse de forma aproximada utilizando ciertos modelos simplificados, [58] se ha avanzado poco en la comprensión de la diversidad total observada. Se han propuesto muchos esquemas de clasificación, pero a menudo se basan únicamente en diferencias en la apariencia de las curvas de luz y no siempre reflejan una verdadera diferencia física en los progenitores de las explosiones. Sin embargo, los gráficos de la distribución de la duración observada [nb 3] para un gran número de explosiones de rayos gamma muestran una clara bimodalidad , lo que sugiere la existencia de dos poblaciones separadas: una población "corta" con una duración media de unos 0,3 segundos y una población "larga" con una duración media de unos 30 segundos. [8] Ambas distribuciones son muy amplias con una región de superposición significativa en la que la identidad de un evento dado no está clara a partir de la duración únicamente. Se han propuesto clases adicionales más allá de este sistema de dos niveles tanto por motivos observacionales como teóricos. [59] [60] [61] [62]

Breves estallidos de rayos gamma

El telescopio espacial Hubble capta el resplandor infrarrojo de una explosión de kilonova . [63]
GRB 211106A, uno de los GRB cortos más energéticos registrados, en la primera película en lapso de tiempo de un GRB corto en luz de longitud de onda milimétrica, como se vio con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y apuntado a una galaxia anfitriona distante capturada usando el Telescopio Espacial Hubble. [64] [65] [66]

Los eventos con una duración de menos de dos segundos se clasifican como estallidos cortos de rayos gamma. Estos representan alrededor del 30% de los estallidos de rayos gamma, pero hasta 2005, no se había detectado con éxito ningún resplandor residual de ningún evento corto y se sabía poco sobre sus orígenes. [67] Desde entonces, se han detectado y localizado varias docenas de resplandores residuales de estallidos cortos de rayos gamma, varios de los cuales están asociados con regiones de poca o ninguna formación estelar, como grandes galaxias elípticas . [68] [69] [70] Esto descarta un vínculo con estrellas masivas, lo que confirma que los eventos cortos son físicamente distintos de los eventos largos. Además, no ha habido asociación con supernovas. [71]

La verdadera naturaleza de estos objetos era inicialmente desconocida, y la hipótesis principal era que se originaron a partir de las fusiones de estrellas de neutrones binarias o una estrella de neutrones con un agujero negro . Se planteó la hipótesis de que tales fusiones producían kilonovas , [72] y se observó evidencia de una kilonova asociada con GRB 130603B. [73] [74] La duración media de estos eventos de 0,2 segundos sugiere (debido a la causalidad ) una fuente de diámetro físico muy pequeño en términos estelares; menos de 0,2 segundos luz (unos 60.000 km o 37.000 millas, cuatro veces el diámetro de la Tierra). La observación de minutos a horas de destellos de rayos X después de un estallido corto de rayos gamma es consistente con pequeñas partículas de un objeto primario como una estrella de neutrones inicialmente tragadas por un agujero negro en menos de dos segundos, seguido de algunas horas de eventos de menor energía, ya que los fragmentos restantes de material de estrella de neutrones alterado por mareas (ya no neutronio ) permanecen en órbita para caer en espiral en el agujero negro, durante un período de tiempo más largo. [67] Una pequeña fracción de estallidos cortos de rayos gamma probablemente son producidos por llamaradas gigantes de repetidores gamma suaves en galaxias cercanas. [75] [76]

El origen de los GRB cortos en kilonovas se confirmó cuando se detectó el GRB corto 170817A solo 1,7 s después de la detección de la onda gravitacional GW170817 , que era una señal de la fusión de dos estrellas de neutrones. [10]

Largas explosiones de rayos gamma

Swift capturó el resplandor del GRB 221009A aproximadamente una hora después de que se detectara por primera vez su llegada a la Tierra el 9 de octubre de 2022. Los anillos brillantes se forman como resultado de los rayos X dispersados ​​desde capas de polvo que de otro modo no serían observables dentro de nuestra galaxia y que se encuentran en la dirección del estallido.

La mayoría de los eventos observados (70%) tienen una duración de más de dos segundos y se clasifican como estallidos de rayos gamma largos. Debido a que estos eventos constituyen la mayoría de la población y tienden a tener los resplandores más brillantes, se han observado con mucho mayor detalle que sus contrapartes cortas. Casi todos los estallidos de rayos gamma largos bien estudiados se han relacionado con una galaxia con una rápida formación estelar y, en muchos casos, también con una supernova con colapso del núcleo , lo que asocia inequívocamente los estallidos de rayos gamma largos con la muerte de estrellas masivas. [71] [77] Las observaciones de resplandores de estallidos de rayos gamma largos, con un alto corrimiento al rojo, también son consistentes con el origen de los estallidos de rayos gamma en regiones de formación estelar. [78]

En diciembre de 2022, los astrónomos informaron sobre la observación de GRB 211211A, la primera evidencia de un GRB largo producido por una fusión de estrellas de neutrones con 51 s. [79] [80] [81] GRB 191019A (2019) [82] y GRB 230307A (2023). [83] [84] con alrededor de 64 s y 35 s respectivamente también se ha argumentado que pertenecen a esta clase de GRB largos de fusiones de estrellas de neutrones. [85]

Explosiones de rayos gamma ultralargas

Estos eventos se encuentran en el extremo final de la distribución de duración de GRB largo, con una duración de más de 10.000 segundos. Se ha propuesto que forman una clase separada, causada por el colapso de una estrella supergigante azul , [86] un evento de disrupción de marea [87] [88] o un magnetar recién nacido . [87] [89] Hasta la fecha, solo se ha identificado un pequeño número, siendo su característica principal su duración de emisión de rayos gamma. Los eventos ultralargos más estudiados incluyen GRB 101225A y GRB 111209A . [88] [90] [91] La baja tasa de detección puede ser el resultado de la baja sensibilidad de los detectores actuales a los eventos de larga duración, en lugar de un reflejo de su frecuencia real. [88] Un estudio de 2013, [92] por otro lado, muestra que la evidencia existente de una población separada de GRB ultralargos con un nuevo tipo de progenitor no es concluyente, y se necesitan más observaciones de múltiples longitudes de onda para llegar a una conclusión más firme.

Energéticos

Ilustración artística de un estallido de rayos gamma brillante que se produce en una región de formación estelar. La energía de la explosión se emite en dos chorros estrechos y de direcciones opuestas.

Los estallidos de rayos gamma son muy brillantes cuando se observan desde la Tierra a pesar de sus distancias típicamente inmensas. Un GRB de duración media tiene un flujo bolométrico comparable al de una estrella brillante de nuestra galaxia a pesar de una distancia de miles de millones de años luz (en comparación con unas pocas decenas de años luz para la mayoría de las estrellas visibles). La mayor parte de esta energía se libera en rayos gamma, aunque algunos GRB también tienen contrapartes ópticas extremadamente luminosas. El GRB 080319B , por ejemplo, estuvo acompañado por una contraparte óptica que alcanzó una magnitud visible de 5,8, [93] comparable a la de las estrellas más tenues a simple vista a pesar de la distancia del estallido de 7.500 millones de años luz. Esta combinación de brillo y distancia implica una fuente extremadamente energética. Suponiendo que la explosión de rayos gamma fuera esférica, la energía emitida por el GRB 080319B estaría dentro de un factor de dos de la energía de masa en reposo del Sol (la energía que se liberaría si el Sol se convirtiera completamente en radiación). [45]

Se cree que los estallidos de rayos gamma son explosiones altamente enfocadas, con la mayor parte de la energía de la explosión colimada en un chorro estrecho . [94] [95] Los chorros de los estallidos de rayos gamma son ultrarelativistas y son los chorros más relativistas del universo. [96] [97] La ​​materia en los chorros de los estallidos de rayos gamma también puede volverse superlumínica , o más rápida que la velocidad de la luz en el medio del chorro, y también hay efectos de reversibilidad temporal . [98] [99] [100] El ancho angular aproximado del chorro (es decir, el grado de propagación del haz) se puede estimar directamente observando las "rupturas del chorro" acromáticas en las curvas de luz del resplandor: un tiempo después del cual el resplandor que decae lentamente comienza a desvanecerse rápidamente a medida que el chorro se desacelera y ya no puede emitir su radiación con tanta eficacia. [101] [102] Las observaciones sugieren una variación significativa en el ángulo del chorro de entre 2 y 20 grados. [103]

Debido a que su energía está fuertemente enfocada, se espera que los rayos gamma emitidos por la mayoría de los estallidos no alcancen la Tierra y nunca sean detectados. Cuando un estallido de rayos gamma apunta hacia la Tierra, la concentración de su energía a lo largo de un haz relativamente estrecho hace que el estallido parezca mucho más brillante de lo que habría sido si su energía se emitiera esféricamente. La energía total de los estallidos de rayos gamma típicos se ha estimado en 3 × 10 44  J, que es mayor que la energía total (10 44  J) de las supernovas ordinarias (tipo Ia , Ibc , II ), [103] siendo los estallidos de rayos gamma también más potentes que la supernova típica. [104] Se ha observado que supernovas muy brillantes acompañan a varios de los GRB más cercanos. [39] Otro respaldo para la concentración de la salida de los GRB proviene de observaciones de fuertes asimetrías en los espectros de supernovas cercanas de tipo Ic [105] y de observaciones de radio tomadas mucho después de los estallidos, cuando sus chorros ya no son relativistas. [106]

Sin embargo, un modelo competidor, el modelo de hipernova impulsado por binarios, desarrollado por Remo Ruffini y otros en ICRANet , acepta los totales de energía isotrópica extrema como verdaderos, sin necesidad de corregir los rayos. [107] [108] También señalan que los ángulos de rayos extremos en el modelo de "bola de fuego" estándar nunca han sido corroborados físicamente. [109]

Con el descubrimiento de GRB 190114C , los astrónomos pueden haber pasado por alto la mitad de la energía total que producen los estallidos de rayos gamma, [110] y Konstancja Satalecka, astrofísica del Sincrotrón de Electrones Alemán , afirma que "nuestras mediciones muestran que la energía liberada en rayos gamma de muy alta energía es comparable a la cantidad irradiada en todas las energías más bajas tomadas en conjunto". [111]

Los GRB cortos (de duración temporal) parecen provenir de una población con un corrimiento al rojo menor (es decir, menos distantes) y son menos luminosos que los GRB largos. [112] El grado de emisión en ráfagas cortas no se ha medido con precisión, pero como población es probable que estén menos colimados que los GRB largos [113] o posiblemente no estén colimados en absoluto en algunos casos. [114]

Progenitores

Imagen del telescopio espacial Hubble de la estrella Wolf-Rayet WR 124 y la nebulosa que la rodea. Las estrellas Wolf-Rayet son candidatas a ser progenitoras de GRB de larga duración.

Debido a las inmensas distancias de la mayoría de las fuentes de estallidos de rayos gamma desde la Tierra, la identificación de los progenitores, los sistemas que producen estas explosiones, es un desafío. La asociación de algunos GRB largos con supernovas y el hecho de que sus galaxias anfitrionas se están formando estrellas rápidamente ofrecen evidencia muy fuerte de que los estallidos de rayos gamma largos están asociados con estrellas masivas. El mecanismo más ampliamente aceptado para el origen de los GRB de larga duración es el modelo colapsar , [115] en el que el núcleo de una estrella extremadamente masiva, de baja metalicidad y rotación rápida colapsa en un agujero negro en las etapas finales de su evolución . La materia cerca del núcleo de la estrella llueve hacia el centro y se arremolina en un disco de acreción de alta densidad . La caída de este material en un agujero negro impulsa un par de chorros relativistas a lo largo del eje de rotación, que golpean a través de la envoltura estelar y eventualmente rompen a través de la superficie estelar y irradian como rayos gamma. Algunos modelos alternativos reemplazan el agujero negro con un magnetar recién formado , [116] [117] aunque la mayoría de los otros aspectos del modelo (el colapso del núcleo de una estrella masiva y la formación de chorros relativistas) son los mismos.

Sin embargo, un nuevo modelo que ha ganado apoyo y fue desarrollado por el astrofísico italiano Remo Ruffini y otros científicos en ICRANet es el del modelo de hipernova impulsada por binarios (BdHN). [118] [119] [120] El modelo tiene éxito y mejora tanto el modelo de capa de fuego como el paradigma de colapso gravitacional inducido (IGC) sugerido anteriormente, y explica todos los aspectos de los estallidos de rayos gamma. [107] El modelo postula que los estallidos de rayos gamma largos ocurren en sistemas binarios con un núcleo de carbono-oxígeno y una estrella de neutrones compañera o un agujero negro. [107] Además, la energía de los GRB en el modelo es isotrópica en lugar de colimada. [107] Los creadores del modelo han señalado los numerosos inconvenientes del modelo estándar de "bola de fuego" como motivación para desarrollar el modelo, como las energéticas marcadamente diferentes para las supernovas y los estallidos de rayos gamma, y ​​el hecho de que la existencia de ángulos de emisión extremadamente estrechos nunca se ha corroborado observacionalmente. [109]

Los análogos más cercanos dentro de la Vía Láctea de las estrellas que producen largos estallidos de rayos gamma son probablemente las estrellas Wolf-Rayet , estrellas extremadamente calientes y masivas, que han perdido la mayor parte o la totalidad de su envoltura de hidrógeno. Eta Carinae , Apep y WR 104 han sido citadas como posibles futuras progenitoras de estallidos de rayos gamma. [121] No está claro si alguna estrella en la Vía Láctea tiene las características apropiadas para producir un estallido de rayos gamma. [122]

El modelo de estrella masiva probablemente no explica todos los tipos de estallidos de rayos gamma. Hay evidencia sólida de que algunos estallidos de rayos gamma de corta duración ocurren en sistemas sin formación de estrellas y sin estrellas masivas, como las galaxias elípticas y los halos de galaxias . [112] La hipótesis favorita para el origen de la mayoría de los estallidos de rayos gamma cortos es la fusión de un sistema binario que consta de dos estrellas de neutrones. Según este modelo, las dos estrellas en un sistema binario giran lentamente en espiral una hacia la otra porque la radiación gravitatoria libera energía [123] [124] hasta que las fuerzas de marea de repente desgarran las estrellas de neutrones y colapsan en un solo agujero negro. La caída de materia en el nuevo agujero negro produce un disco de acreción y libera un estallido de energía, análogo al modelo de colapso. También se han propuesto numerosos otros modelos para explicar los estallidos de rayos gamma cortos, incluida la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, el colapso inducido por acreción de una estrella de neutrones o la evaporación de agujeros negros primordiales . [125] [126] [127] [128]

Una explicación alternativa propuesta por Friedwardt Winterberg es que en el curso de un colapso gravitacional y al alcanzar el horizonte de eventos de un agujero negro, toda la materia se desintegra en un estallido de radiación gamma. [129]

Eventos de alteración de las mareas

Esta clase de eventos similares a GRB fue descubierta por primera vez a través de la detección de Swift J1644+57 (originalmente clasificado como GRB 110328A) por la Misión Swift Gamma-Ray Burst el 28 de marzo de 2011. Este evento tuvo una duración de rayos gamma de aproximadamente 2 días, mucho más larga que incluso los GRB ultralargos, y fue detectado en muchas frecuencias durante meses y años después. Ocurrió en el centro de una pequeña galaxia elíptica a un corrimiento al rojo de 3.8 mil millones de años luz de distancia. Este evento ha sido aceptado como un evento de disrupción de marea (TDE), donde una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo , destrozando la estrella. En el caso de Swift J1644+57, se lanzó un chorro astrofísico que viajaba a una velocidad cercana a la de la luz, y duró aproximadamente 1,5 años antes de apagarse. [130]

Desde 2011, se han descubierto solo 4 TDE en chorro, de los cuales 3 se detectaron en rayos gamma (incluido Swift J1644+57). [131] Se estima que solo el 1% de todos los TDE son eventos en chorro. [131]

Mecanismos de emisión

Mecanismo de explosión de rayos gamma

Los medios por los cuales los estallidos de rayos gamma convierten energía en radiación siguen siendo poco comprendidos, y a partir de 2010 todavía no había un modelo generalmente aceptado para cómo ocurre este proceso. [132] Cualquier modelo exitoso de emisión de GRB debe explicar el proceso físico para generar emisión de rayos gamma que coincida con la diversidad observada de curvas de luz, espectros y otras características. [133] Particularmente desafiante es la necesidad de explicar las altísimas eficiencias que se infieren de algunas explosiones: algunos estallidos de rayos gamma pueden convertir hasta la mitad (o más) de la energía de la explosión en rayos gamma. [134] Las primeras observaciones de las contrapartes ópticas brillantes de GRB 990123 y GRB 080319B , cuyas curvas de luz óptica eran extrapolaciones de los espectros de luz de rayos gamma, [93] [135] han sugerido que la dispersión Compton inversa puede ser el proceso dominante en algunos eventos. En este modelo, los fotones de baja energía preexistentes son dispersados ​​por electrones relativistas dentro de la explosión, aumentando su energía en un gran factor y transformándolos en rayos gamma. [136]

La naturaleza de la emisión de resplandor de longitud de onda más larga (que va desde los rayos X hasta la radio ) que sigue a los estallidos de rayos gamma se entiende mejor. Cualquier energía liberada por la explosión que no se irradie en el propio estallido toma la forma de materia o energía que se mueve hacia afuera a casi la velocidad de la luz. Cuando esta materia choca con el gas interestelar circundante , crea una onda de choque relativista que luego se propaga hacia adelante en el espacio interestelar. Una segunda onda de choque, la onda de choque inversa, puede propagarse de regreso a la materia expulsada. Los electrones extremadamente energéticos dentro de la onda de choque son acelerados por fuertes campos magnéticos locales y se irradian como emisión de sincrotrón en la mayor parte del espectro electromagnético . [137] [138] Este modelo generalmente ha tenido éxito en modelar el comportamiento de muchos resplandores observados en momentos tardíos (generalmente, horas a días después de la explosión), aunque existen dificultades para explicar todas las características del resplandor muy poco después de que se haya producido el estallido de rayos gamma. [139]

Tasa de ocurrencia y efectos potenciales sobre la vida

El 27 de octubre de 2015, a las 22:40 GMT, el satélite Swift de NASA/ASI/UKSA descubrió su explosión de rayos gamma número 1.000 (GRB). [140]

Los estallidos de rayos gamma pueden tener efectos nocivos o destructivos sobre la vida. Considerando el universo en su conjunto, los entornos más seguros para la vida similar a la de la Tierra son las regiones de menor densidad en las afueras de las grandes galaxias. Nuestro conocimiento de los tipos de galaxias y su distribución sugiere que la vida tal como la conocemos solo puede existir en aproximadamente el 10% de todas las galaxias. Además, las galaxias con un corrimiento al rojo, z , superior a 0,5 no son adecuadas para la vida tal como la conocemos, debido a su mayor tasa de GRB y su compacidad estelar. [141] [142]

Todos los GRB observados hasta la fecha han ocurrido fuera de la Vía Láctea y han sido inofensivos para la Tierra. Sin embargo, si un GRB ocurriera dentro de la Vía Láctea a una distancia de 5.000 a 8.000 años luz [143] y su emisión fuera dirigida directamente hacia la Tierra, los efectos podrían ser dañinos y potencialmente devastadores para sus ecosistemas . Actualmente, los satélites en órbita detectan en promedio aproximadamente un GRB por día. El GRB observado más cercano a marzo de 2014 fue GRB 980425 , ubicado a 40 megaparsecs (130.000.000 años luz) [144] de distancia ( z = 0,0085) en una galaxia enana de tipo SBc. [145] GRB 980425 fue mucho menos energético que el GRB promedio y estuvo asociado con la supernova de tipo Ib SN 1998bw . [146]

Estimar la tasa exacta a la que ocurren los GRB es difícil; para una galaxia de aproximadamente el mismo tamaño que la Vía Láctea , las estimaciones de la tasa esperada (para GRB de larga duración) pueden variar desde una explosión cada 10.000 años, hasta una explosión cada 1.000.000 de años. [147] Solo un pequeño porcentaje de estos se emitiría hacia la Tierra. Las estimaciones de la tasa de ocurrencia de GRB de corta duración son aún más inciertas debido al grado desconocido de colimación, pero probablemente sean comparables. [148]

Como se piensa que los GRB implican emisión a lo largo de dos chorros en direcciones opuestas, solo los planetas en la trayectoria de estos chorros estarían sujetos a la radiación gamma de alta energía. [149] Un GRB podría vaporizar cualquier cosa en sus haces hasta alrededor de 200 años luz. [150] [151]

Aunque los GRB cercanos que impactan la Tierra con una lluvia destructiva de rayos gamma son sólo eventos hipotéticos, se ha observado que procesos de alta energía en toda la galaxia afectan la atmósfera de la Tierra. [152]

Efectos sobre la Tierra

La atmósfera de la Tierra absorbe de forma muy eficaz las radiaciones electromagnéticas de alta energía, como los rayos X y los rayos gamma, por lo que estos tipos de radiación no alcanzarían niveles peligrosos en la superficie durante el propio estallido. El efecto inmediato sobre la vida en la Tierra de un GRB en el espacio de unos pocos kiloparsecs sería sólo un breve aumento de la radiación ultravioleta a nivel del suelo, que duraría desde menos de un segundo hasta decenas de segundos. Esta radiación ultravioleta podría alcanzar niveles peligrosos dependiendo de la naturaleza exacta y la distancia del estallido, pero parece poco probable que pueda causar una catástrofe global para la vida en la Tierra. [153] [154]

Los efectos a largo plazo de una explosión cercana son más peligrosos. Los rayos gamma causan reacciones químicas en la atmósfera que involucran moléculas de oxígeno y nitrógeno , creando primero óxido de nitrógeno y luego gas de dióxido de nitrógeno . Los óxidos de nitrógeno causan efectos peligrosos en tres niveles. Primero, agotan el ozono , con modelos que muestran una posible reducción global del 25-35%, con hasta un 75% en ciertos lugares, un efecto que duraría años. Esta reducción es suficiente para causar un índice UV peligrosamente elevado en la superficie. En segundo lugar, los óxidos de nitrógeno causan smog fotoquímico , que oscurece el cielo y bloquea partes del espectro de la luz solar . Esto afectaría la fotosíntesis , pero los modelos muestran solo una reducción de alrededor del 1% del espectro total de la luz solar, que dura unos pocos años. Sin embargo, el smog podría causar potencialmente un efecto de enfriamiento en el clima de la Tierra, produciendo un "invierno cósmico" (similar a un invierno de impacto , pero sin impacto), pero solo si ocurre simultáneamente con una inestabilidad climática global. En tercer lugar, los elevados niveles de dióxido de nitrógeno en la atmósfera se diluirían y producirían lluvia ácida . El ácido nítrico es tóxico para una variedad de organismos, incluidos los anfibios, pero los modelos predicen que no alcanzaría niveles que causarían un efecto global grave. De hecho, los nitratos podrían ser beneficiosos para algunas plantas. [153] [154]

En conjunto, un GRB en el espacio de unos pocos kiloparsecs, con su energía dirigida hacia la Tierra, dañará principalmente la vida al aumentar los niveles de UV durante la explosión misma y durante algunos años después. Los modelos muestran que los efectos destructivos de este aumento pueden causar hasta 16 veces los niveles normales de daño al ADN. Ha resultado difícil evaluar de manera confiable las consecuencias de esto en el ecosistema terrestre, debido a la incertidumbre en los datos biológicos de campo y de laboratorio. [153] [154]

Efectos hipotéticos sobre la Tierra en el pasado

Hay muchas posibilidades (pero no certezas) de que al menos un GRB letal haya tenido lugar durante los últimos 5 mil millones de años lo suficientemente cerca de la Tierra como para dañar significativamente la vida. Hay un 50% de posibilidades de que un GRB letal de ese tipo haya tenido lugar a dos kiloparsecs de la Tierra durante los últimos 500 millones de años, causando uno de los principales eventos de extinción masiva. [155] [16]

La mayor extinción del Ordovícico-Silúrico hace 450 millones de años puede haber sido causada por un GRB. [14] [156] Las estimaciones sugieren que aproximadamente el 20-60% de la biomasa total de fitoplancton en los océanos del Ordovícico habría perecido en un GRB, porque los océanos eran en su mayoría oligotróficos y claros. [15] Las especies de trilobites del Ordovícico tardío que pasaron partes de sus vidas en la capa de plancton cerca de la superficie del océano se vieron mucho más afectadas que los habitantes de aguas profundas, que tendían a permanecer en áreas bastante restringidas. Esto contrasta con el patrón habitual de eventos de extinción, en el que las especies con poblaciones más ampliamente distribuidas suelen tener mejor suerte. Una posible explicación es que los trilobites que permanecen en aguas profundas estarían más protegidos de la mayor radiación ultravioleta asociada con un GRB. También apoya esta hipótesis el hecho de que durante el Ordovícico tardío, las especies de bivalvos excavadores tenían menos probabilidades de extinguirse que los bivalvos que vivían en la superficie. [13]

Se ha argumentado que el pico de carbono-14 774-775 fue el resultado de un GRB corto, [157] [158] aunque otra posibilidad es una llamarada solar muy fuerte . [159]

Candidatos a GRB en la Vía Láctea

Ilustración de un breve estallido de rayos gamma causado por el colapso de una estrella. [160]

No se han observado estallidos de rayos gamma en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea , [161] y la cuestión de si alguna vez ha ocurrido sigue sin resolverse. A la luz de la evolución de la comprensión de los estallidos de rayos gamma y sus progenitores, la literatura científica registra un número creciente de candidatos a GRB locales, pasados ​​y futuros. Los GRB de larga duración están relacionados con las supernovas superluminosas o hipernovas, y se cree que la mayoría de las variables azules luminosas (LBV) y las estrellas Wolf-Rayet de giro rápido terminan sus ciclos de vida en supernovas de colapso de núcleo con un GRB de larga duración asociado. Sin embargo, el conocimiento de los GRB proviene de galaxias pobres en metales de épocas anteriores de la evolución del universo , y es imposible extrapolarlo directamente para abarcar galaxias más evolucionadas y entornos estelares con una mayor metalicidad , como la Vía Láctea. [162] [163] [164]

Véase también

Notas

  1. ^ Una excepción notable es el evento del 5 de marzo de 1979, un estallido extremadamente brillante que se localizó con éxito en el remanente de supernova N49 en la Gran Nube de Magallanes . Este evento ahora se interpreta como una llamarada gigante de magnetar , más relacionada con las llamaradas de SGR que con los estallidos de rayos gamma "verdaderos".
  2. ^ Los GRB reciben su nombre según la fecha en la que se descubren: los dos primeros dígitos corresponden al año, seguidos por el mes y el día (dos dígitos más) y una letra con el orden en el que se detectaron durante ese día. La letra "A" se añade al nombre de la primera ráfaga identificada, la "B" a la segunda, y así sucesivamente. En el caso de las ráfagas anteriores al año 2010, esta letra solo se añadía si se producía más de una ráfaga ese día.
  3. ^ La duración de una ráfaga se mide normalmente por T90, la duración del período en el que se emite el 90 por ciento de la energía de la ráfaga . Recientemente se ha demostrado que algunos GRB que de otro modo serían "cortos" son seguidos por un segundo episodio de emisión mucho más largo que, cuando se incluye en la curva de luz de la ráfaga, da como resultado duraciones T90 de hasta varios minutos: estos eventos solo son cortos en el sentido literal cuando se excluye este componente.

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Referencias

Lectura adicional

Enlaces externos

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