Ilustración artística que muestra la vida de una estrella masiva a medida que la fusión nuclear convierte elementos más ligeros en más pesados. Cuando la fusión ya no genera suficiente presión para contrarrestar la gravedad, la estrella colapsa rápidamente para formar un agujero negro . En teoría, se puede liberar energía durante el colapso a lo largo del eje de rotación para formar un GRB.
En la astronomía de rayos gamma , los estallidos de rayos gamma ( GRB ) son explosiones inmensamente energéticas que se han observado en galaxias distantes , siendo los eventos explosivos más brillantes y extremos de todo el universo, [1] [2] [3] como describe la NASA las ráfagas como la "clase de explosiones más poderosa del 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 hasta varias horas. [7] [8] Después del destello inicial de rayos gamma , se emite un "resplandor", que tiene una vida más larga y generalmente se emite en longitudes de onda más largas ( rayos X , ultravioleta , óptico , infrarrojo , microondas y radio ). [9]
Las fuentes de la mayoría de los GRB se encuentran a miles de millones de años luz de la Tierra , lo que implica que ambas explosiones son extremadamente energéticas (una explosión típica libera tanta energía en unos pocos segundos como la que liberará el Sol en toda su vida útil de 10 mil millones de años) [11 ] y extremadamente raros (unos pocos 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 una explosión de rayos gamma en la Vía Láctea , apuntando directamente hacia la Tierra, podría provocar 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 tal explosión de rayos gamma. [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] Tras 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 corrimientos al rojo mediante espectroscopia óptica y, por lo tanto, de 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.
Las explosiones de rayos gamma fueron observadas por primera vez a finales de la década de 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 lanzaron más satélites Vela con mejores instrumentos, el equipo de Los Álamos siguió encontrando estallidos inexplicables de rayos gamma en sus datos. Al analizar los diferentes tiempos de llegada de las ráfagas detectadas por diferentes satélites, el equipo pudo determinar estimaciones aproximadas de las posiciones en el cielo de 16 ráfagas [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 Astrophysical Journal titulado "Observaciones de explosiones de rayos gamma de origen cósmico". [17]
La mayoría de las primeras hipótesis sobre estallidos de rayos gamma postulaban fuentes cercanas dentro de la Vía Láctea . Desde 1991, el Observatorio Compton de Rayos Gamma (CGRO) y su instrumento Explorador de Fuentes Transitorias y de Explosiones ( BATSE ), un detector de rayos gamma extremadamente sensible, proporcionaron datos que mostraban que la distribución de los GRB es isotrópica , es decir, no está sesgada hacia ninguna dirección particular en el espacio. . [23] Si las fuentes fueran del interior de nuestra propia galaxia, estarían fuertemente concentradas en o cerca del plano galáctico. La ausencia de tal patrón en el caso de los GRB proporcionó pruebas sólidas 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 que coincidiera posicionalmente con una explosión observada recientemente. Los astrónomos consideraron muchas clases distintas de objetos, incluidas enanas blancas , púlsares , supernovas , cúmulos globulares , cuásares , galaxias Seyfert y objetos BL Lac . [29] Todas estas búsquedas no tuvieron éxito, [nb 1] y en algunos casos se pudo demostrar claramente que las ráfagas particularmente bien localizadas (aquellas cuyas posiciones se determinaron con lo que entonces era un alto grado de precisión) no tenían objetos brillantes de ningún tipo. naturaleza consistente con la posición derivada de los satélites de detección. Esto sugirió un origen de estrellas muy débiles o de galaxias extremadamente distantes. [30] [31] Incluso las posiciones más precisas contenían numerosas estrellas y galaxias débiles, y hubo un amplio acuerdo en que la resolución final de los orígenes de los estallidos cósmicos de rayos gamma requeriría tanto nuevos satélites como comunicaciones más rápidas. [32]
Resplandor crepuscular
El satélite italo-holandés BeppoSAX , lanzado en abril de 1996, proporcionó las primeras posiciones precisas de estallidos de rayos gamma, lo que permitió 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 : una emisión que se desvanece lentamente en longitudes de onda más largas creada por colisiones entre los eyectados 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 una explosión en longitudes de onda más largas inmediatamente después de la explosión inicial. El gran avance se produjo en febrero de 1997, cuando el satélite BeppoSAX detectó una explosión de rayos gamma ( GRB 970228 [nb 2] ) y cuando la cámara de rayos X apuntó hacia la dirección desde la que se había originado la explosión, detectó una emisión de rayos X que se desvanecía. . El telescopio William Herschel identificó una contraparte óptica que se desvanecía 20 horas después de la explosión. [34] Una vez que el GRB se desvaneció, las imágenes profundas pudieron identificar una galaxia anfitriona distante y débil en la ubicación del GRB, según lo señalado por 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, se produjo otro gran avance con el siguiente evento registrado por BeppoSAX, GRB 970508 . Este evento se localizó cuatro horas después de su descubrimiento, lo que permitió a los equipos de investigación comenzar a realizar observaciones mucho antes que cualquier estallido anterior. El espectro del objeto reveló un corrimiento al rojo de z = 0,835, lo que sitúa 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 se encuentran en galaxias extremadamente distantes. [35] [38] En unos pocos meses, la controversia sobre la escala de distancias terminó: los GRB eran eventos extragalácticos que se originaban dentro de galaxias débiles a distancias enormes. Al año siguiente, GRB 980425 fue seguida en un día por una supernova brillante ( SN 1998bw ), coincidente en ubicación, lo que indica una clara conexión entre los GRB y la muerte de estrellas muy masivas. Esta explosión proporcionó la primera pista sólida sobre la naturaleza de los sistemas que producen GRB. [39]
BeppoSAX funcionó hasta 2002 y CGRO (con BATSE) fue sacado de órbita 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. tras la explosión. La primera misión de este tipo, HETE-2 , [40] se lanzó en 2000 y funcionó hasta 2006, proporcionando la mayoría de los descubrimientos más importantes durante este período. Una de las misiones espaciales más exitosas hasta la fecha, Swift , se lanzó en 2004 y en mayo de 2024 sigue operativa. [41] [42] Swift está equipado con un detector de rayos gamma muy sensible, así como con telescopios ópticos y de rayos X a bordo, que pueden girarse rápida y automáticamente para observar la emisión de resplandor después de una explosión. Más recientemente, se lanzó la misión Fermi con el Monitor de Explosiones de Rayos Gamma , que detecta ráfagas a un ritmo de varios cientos por año, algunas de las cuales son lo suficientemente brillantes como para ser observadas 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 un software de control robótico que responde inmediatamente a las señales enviadas a través de la Red de Coordenadas de Explosión de Rayos Gamma . Esto permite que los telescopios vuelvan a apuntar rápidamente hacia un GRB, a menudo a los pocos segundos de recibir la señal y mientras la emisión de rayos gamma aún está en curso. [43] [44]
Los nuevos avances desde la década de 2000 incluyen el reconocimiento de explosiones cortas de rayos gamma como una clase separada (probablemente provenientes de la fusión de estrellas de neutrones y no asociadas con supernovas), el descubrimiento de una actividad de llamaradas erráticas y prolongadas en longitudes de onda de rayos X que duran muchos minutos después de la mayoría de las veces. GRB y el descubrimiento de los objetos más luminosos ( GRB 080319B ) y los más distantes ( GRB 090423 ) del universo. [45] [46] El GRB más distante conocido, GRB 090429B , es ahora el objeto conocido más distante del universo.
En octubre de 2018, los astrónomos informaron que GRB 150101B (detectado en 2015) y GW170817 , un evento de onda gravitacional detectado en 2017 (que se ha asociado con GRB170817A, una explosión detectada 1,7 segundos después), pueden haber sido producidos por el mismo mecanismo: el Fusión de dos estrellas de neutrones . Las similitudes entre los dos eventos, en términos de emisiones de rayos gamma , ópticos y de rayos X , así como la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas , son "sorprendentes", lo que sugiere que los dos eventos separados pueden ser ambos el resultado de la fusión de estrellas de neutrones, y ambas pueden ser una kilonova , que puede ser más común en el universo de lo que se pensaba anteriormente, según los investigadores. [47] [48] [49] [50]
La luz de mayor energía observada en un estallido de rayos gamma fue de un teraelectronvoltio , de GRB 190114C en 2019. [51] (Tenga en cuenta que esto es aproximadamente mil veces menos energía que la luz de mayor energía observada en cualquier fuente, que es de 1,4 petaelectronvoltios como del año 2021. [52] )
Las curvas de luz de los estallidos de rayos gamma son extremadamente diversas y complejas. [55] No hay dos curvas de luz de estallido 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 solo pico o varios subpulsos individuales , y los picos individuales pueden ser simétricos o con un brillo rápido y un desvanecimiento muy lento. Algunas explosiones están precedidas por un evento " precursor ", una explosión débil seguida (después de segundos o minutos sin emisión alguna) por el episodio de explosión "verdadera" 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 toda la diversidad 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 es posible que no siempre reflejen 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 estallidos de rayos gamma muestran una clara bimodalidad , lo que sugiere la existencia de dos poblaciones separadas: una población "corta" con una duración promedio de aproximadamente 0,3 segundos y una 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 determinado no queda clara únicamente a partir de la duración. Se han propuesto clases adicionales más allá de este sistema de dos niveles tanto por motivos teóricos como observacionales. [59] [60] [61] [62]
Estallidos cortos de rayos gamma
El Telescopio Espacial Hubble captura el brillo infrarrojo de una explosión de kilonova . [63]GRB 211106A, uno de los GRB cortos más energéticos registrados, en la primera película de lapso de tiempo de un GRB corto en luz de longitud de onda milimétrica, visto con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y apuntado a un anfitrión distante. Galaxia capturada con el Telescopio Espacial Hubble. [64] [65] [66]
Los eventos con una duración de menos de dos segundos aproximadamente se clasifican como explosiones cortas 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 de ningún evento breve y se sabía poco sobre sus orígenes. [67] Desde entonces, se han detectado y localizado varias docenas de breves ráfagas de rayos gamma, varias de las cuales están asociadas con regiones de poca o ninguna formación estelar, como las 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]
Inicialmente se desconocía la verdadera naturaleza de estos objetos, y la hipótesis principal era que se originaban a partir de fusiones de estrellas de neutrones binarias o de una estrella de neutrones con un agujero negro . Se planteó la hipótesis de que tales fusiones producirían 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 breve estallido 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, seguidas por algunas horas de menor energía. eventos, ya que los fragmentos restantes de material de estrella de neutrones interrumpido por las mareas (ya no neutronio ) permanecen en órbita para entrar en espiral hacia 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]
Swift capturó el resplandor de GRB 221009A aproximadamente una hora después de que se detectara por primera vez cuando llegó a la Tierra el 9 de octubre de 2022. Los anillos brillantes se forman como resultado de los rayos X esparcidos desde capas de polvo que de otro modo serían inobservables dentro de nuestra galaxia y que se encuentran en la dirección del explosión.
La mayoría de los eventos observados (70%) tienen una duración superior a dos segundos y se clasifican como estallidos largos de rayos gamma. Debido a que estos eventos constituyen la mayoría de la población y debido a que tienden a tener los reflejos más brillantes, se han observado con mucho mayor detalle que sus contrapartes breves. Casi todos los estallidos largos de rayos gamma bien estudiados se han relacionado con una galaxia con rápida formación estelar y, en muchos casos, también con una supernova con colapso del núcleo , asociando inequívocamente los GRB largos con la muerte de estrellas masivas. [71] [77] Las observaciones prolongadas del resplandor del GRB, con un alto corrimiento al rojo, también son consistentes con que el GRB se originó en regiones de formación estelar. [78]
En diciembre de 2022, los astrónomos informaron de la observación de GRB 211211A, la primera evidencia de un GRB largo producido por la fusión de una estrella de neutrones con 51s. [79] [80] [81] GRB 191019A (2019) [82] y GRB 230307A (2023). También se ha argumentado que [83] [84] con alrededor de 64 y 35 respectivamente pertenecen a esta clase de GRB largos provenientes de fusiones de estrellas de neutrones. [85]
Estallidos de rayos gamma ultralargos
Estos eventos se encuentran al final de la distribución de larga duración de GRB y duran más de 10.000 segundos. Se ha propuesto que formen una clase separada, causada por el colapso de una estrella supergigante azul , [86] un evento de interrupción de marea [87] [88] o un magnetar recién nacido . [87] [89] Hasta la fecha sólo se ha identificado un pequeño número, siendo su característica principal la duración de su 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 de corriente a eventos de larga duración, en lugar de un reflejo de su verdadera frecuencia. [88] Por otro lado , un estudio de 2013, [92] muestra que la evidencia existente sobre una población de GRB ultralarga separada 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 brillante estallido de rayos gamma que se produce en una región de formación estelar. La energía de la explosión se irradia 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 normalmente inmensas distancias. Un GRB de longitud media tiene un flujo bolométrico comparable al de una estrella brillante de nuestra galaxia a pesar de estar a 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 forma de rayos gamma, aunque algunos GRB también tienen contrapartes ópticas extremadamente luminosas. GRB 080319B , por ejemplo, estuvo acompañada por una contraparte óptica que alcanzó un máximo de una magnitud visible de 5,8, [93] comparable a la de las estrellas más tenues a simple vista a pesar de la distancia de la explosión de 7,5 mil millones de años luz. Esta combinación de brillo y distancia implica una fuente extremadamente energética. Suponiendo que la explosión de rayos gamma sea esférica, la producción de energía de 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 muy concentradas, en las que la mayor parte de la energía de la explosión colima en un chorro estrecho . [94] [95] Los chorros de estallidos de rayos gamma son ultrarelativistas y son los chorros más relativistas del universo. [96] [97] La materia en los chorros de explosión de rayos gamma también puede volverse superluminal , o más rápida que la velocidad de la luz en el medio del chorro, existiendo también efectos de reversibilidad temporal . [98] [99] [100] El ancho angular aproximado del chorro (es decir, el grado de dispersión del haz) se puede estimar directamente observando las "roturas del chorro" acromáticas en las curvas de luz residual: un tiempo después del cual el 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 concentrada, se espera que los rayos gamma emitidos por la mayoría de las explosiones no lleguen a 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 hubiera emitido de forma esférica. La energía total de los estallidos típicos de rayos gamma 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] con rayos gamma. Los estallidos de rayos también son más poderosos que la típica supernova. [104] Se ha observado que supernovas muy brillantes acompañan a varios de los GRB más cercanos. [39] Un apoyo adicional para enfocar 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 las explosiones, cuando sus chorros ya no son relativistas. [106]
Sin embargo, un modelo competidor, el modelo de hipernova impulsada por binario, desarrollado por Remo Ruffini y otros en ICRANet , acepta como verdaderos los totales de energía isotrópica extrema, sin necesidad de corregir la emisión. [107] [108] También señalan que los ángulos de emisión extremos en el modelo estándar de "bola de fuego" nunca han sido corroborados físicamente. [109]
Con el descubrimiento de GRB 190114C , es posible que a los astrónomos les haya faltado la mitad de la energía total que producen los estallidos de rayos gamma, [110] y Konstancja Satalecka, astrofísico del Sincrotrón de Electrones alemán , afirmó que "Nuestras mediciones muestran que la energía liberada en Los rayos gamma de muy alta energía son comparables a la cantidad irradiada con todas las energías más bajas en conjunto". [111]
Los GRB cortos (de duración temporal) parecen provenir de una población con un corrimiento al rojo más bajo (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 probablemente 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 su nebulosa circundante. 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 explosiones de rayos gamma a 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 estén formando estrellas rápidamente ofrecen pruebas muy sólidas de que los estallidos largos de rayos gamma 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 que gira rápidamente colapsa en un agujero negro en las etapas finales de su evolución . La materia cercana al núcleo de la estrella llueve hacia el centro y se arremolina formando 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 atraviesan la envoltura estelar y finalmente atraviesan la superficie estelar e irradian como rayos gamma. Algunos modelos alternativos reemplazan el agujero negro con un magnetar recién formado , [116] [117] aunque la mayoría de los demás 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 de ICRANet es el modelo de hipernova impulsada por binario (BdHN). [118] [119] [120] El modelo tiene éxito y mejora tanto el modelo de concha de fuego como el paradigma de colapso gravitacional inducido (IGC) sugerido anteriormente, y explica todos los aspectos de las explosiones de rayos gamma. [107] El modelo postula que se producen largas explosiones de rayos gamma 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 observado los numerosos inconvenientes del modelo estándar de "bola de fuego" como motivación para desarrollar el modelo, como las energías marcadamente diferentes para las supernovas y los estallidos de rayos gamma, y el hecho de que la existencia de Los ángulos de emisión nunca han sido corroborados mediante observaciones. [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 citados como posibles futuros progenitores de explosiones de rayos gamma. [121] No está claro si alguna estrella de 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 pruebas sólidas de que algunos estallidos de rayos gamma de corta duración se producen en sistemas sin formación estelar y sin estrellas masivas, como las galaxias elípticas y los halos de galaxias . [112] La hipótesis favorita para el origen de la mayoría de las explosiones cortas de rayos gamma es la fusión de un sistema binario formado por 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 gravitacional libera energía [123] [124] hasta que las fuerzas de marea de repente separan 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 una explosión de energía, análoga al modelo colapsar. También se han propuesto muchos otros modelos para explicar las explosiones cortas de rayos gamma, incluida la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, el colapso inducido por la 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 durante un colapso gravitacional y al alcanzar el horizonte de sucesos de un agujero negro, toda la materia se desintegra en una explosión de radiación gamma. [129]
Eventos de interrupción de mareas
Esta clase de eventos similares a GRB se descubrió por primera vez mediante la detección de Swift J1644+57 (originalmente clasificado como GRB 110328A) por la Swift Gamma-Ray Burst Mission el 28 de marzo de 2011. Este evento tuvo una duración de rayos gamma de aproximadamente 2 días. , mucho más largo que incluso los GRB ultralargos, y se detectó en muchas frecuencias durante meses y años después. Ocurrió en el centro de una pequeña galaxia elíptica con corrimiento al rojo a 3.800 millones de años luz de distancia. Este evento ha sido aceptado como un evento de perturbación de marea (TDE), donde una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo , destrozando la estrella. En el caso del Swift J1644+57, se lanzó un jet astrofísico que viajaba casi a la velocidad de la luz y duró aproximadamente un año y medio antes de apagarse. [130]
Desde 2011, solo se han descubierto cuatro TDE emitidos, de los cuales tres se detectaron en rayos gamma (incluido Swift J1644+57). [131] Se estima que sólo el 1% de todos los TDE son eventos de chorro. [131]
Mecanismos de emisión
Mecanismo de explosión de rayos gamma
Los medios por los cuales los estallidos de rayos gamma convierten la energía en radiación siguen siendo poco conocidos y, en 2010, todavía no existía un modelo generalmente aceptado sobre cómo ocurre este proceso. [132] Cualquier modelo exitoso de emisión de GRB debe explicar el proceso físico para generar una 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 muy altas eficiencias que se infieren de algunas explosiones: algunas explosiones 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 brillantes contrapartes ópticas 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 factor importante y transformándolos en rayos gamma. [136]
Se comprende mejor la naturaleza de la emisión de luminosidad de longitud de onda más larga (que va desde rayos X hasta radio ) que sigue a los estallidos de rayos gamma. Cualquier energía liberada por la explosión que no se irradie en la propia explosión toma la forma de materia o energía que se mueve hacia afuera casi a 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 el espacio interestelar. Una segunda onda de choque, el choque inverso, puede propagarse nuevamente hacia 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 a lo largo de 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 o días después de la explosión), aunque existen dificultades para explicar todas las características del resplandor muy poco después de la explosión gamma. Se ha producido un estallido de rayos. [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 para la vida. Considerando el universo en su conjunto, los entornos más seguros para 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 sólo 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 aptas 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 se han producido muy fuera de la Vía Láctea y han sido inofensivos para la Tierra. Sin embargo, si ocurriera un GRB dentro de la Vía Láctea entre 5.000 y 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 más cercano observado en marzo de 2014 fue GRB 980425 , ubicado a 40 megaparsecs (130.000.000 ly) [144] de distancia ( z = 0,0085) en una galaxia enana de tipo SBc. [145] GRB 980425 era mucho menos energético que el GRB promedio y estaba asociado con la supernova de tipo Ib SN 1998bw . [146]
Es difícil estimar la tasa exacta a la que ocurren los GRB; 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 ráfaga cada 10.000 años hasta una ráfaga cada 1.000.000 de años. [147] Sólo un pequeño porcentaje de estos serían transmitidos hacia la Tierra. Las estimaciones de la tasa de aparición de GRB de corta duración son aún más inciertas debido al grado desconocido de colimación, pero probablemente sean comparables. [148]
Dado que se cree que los GRB implican emisiones a lo largo de dos chorros en direcciones opuestas, sólo los planetas en el camino de estos chorros estarían sujetos a la radiación gamma de alta energía. [149] Un GRB podría vaporizar cualquier cosa en sus rayos hasta unos 200 años luz. [150] [151]
Aunque los GRB cercanos que golpean 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 terrestre. [152]
Efectos en la Tierra
La atmósfera de la Tierra es muy eficaz para absorber radiación electromagnética 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 evento de explosión en sí. El efecto inmediato de un GRB en la vida en la Tierra en unos pocos kilopársecs 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 potencialmente peligrosos dependiendo de la naturaleza exacta y la distancia de la explosión, 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 provocan reacciones químicas en la atmósfera que involucran moléculas de oxígeno y nitrógeno , creando primero óxido de nitrógeno y luego dióxido de nitrógeno gaseoso. Los óxidos de nitrógeno provocan efectos peligrosos en tres niveles. En primer lugar, agotan el ozono , y los modelos muestran una posible reducción global del 25% al 35%, con hasta un 75% en ciertos lugares, un efecto que duraría años. Esta reducción es suficiente para provocar un índice UV peligrosamente elevado en la superficie. En segundo lugar, los óxidos de nitrógeno provocan smog fotoquímico , que oscurece el cielo y bloquea partes del espectro de la luz solar . Esto afectaría a la fotosíntesis , pero los modelos muestran sólo alrededor de un 1% de reducción del espectro total de luz solar, que durará 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 sólo si ocurre simultáneamente con una inestabilidad climática global. En tercer lugar, los elevados niveles de dióxido de nitrógeno en la atmósfera se eliminarían y producirían lluvia ácida . El ácido nítrico es tóxico para una variedad de organismos, incluida la vida de los anfibios, pero los modelos predicen que no alcanzaría niveles que causarían un efecto global grave. De hecho, los nitratos podrían resultar beneficiosos para algunas plantas. [153] [154]
Con todo, un GRB dentro de unos pocos kiloparsecs, con su energía dirigida hacia la Tierra, dañará principalmente la vida al elevar 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 realizar una evaluación fiable de 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 en la Tierra en el pasado
Hay muchas posibilidades (pero no certeza) 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. Existe un 50% de posibilidades de que un GRB tan letal haya tenido lugar a dos kiloparsecs de la Tierra durante los últimos 500 millones de años, provocando uno de los principales eventos de extinción masiva. [155] [16]
La principal extinción del Ordovícico-Silúrico hace 450 millones de años puede haber sido causada por un GRB. [14] [156] Las estimaciones sugieren que aproximadamente entre el 20% y el 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 parte 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 dentro de áreas bastante restringidas. Esto contrasta con el patrón habitual de eventos de extinción, en el que las especies con poblaciones más extendidas suelen tener mejores resultados. Una posible explicación es que los trilobites que permanecen en aguas profundas estarían más protegidos del aumento de la 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 774–775 carbono-14 fue el resultado de un GRB corto, [157] [158] aunque otra posibilidad es una erupción solar muy fuerte . [159]
Candidatos 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 explosiones de rayos gamma desde el interior de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea , [161] y la cuestión de si alguna vez se ha producido 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 supernovas superluminosas, o hipernovas, y se cree que la mayoría de las variables azules luminosas (LBV) y las estrellas Wolf-Rayet que giran rápidamente terminan sus ciclos de vida en supernovas de colapso del 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 extrapolarlos directamente para abarcar galaxias más evolucionadas y entornos estelares con una mayor metalicidad , como la Vía Láctea. [162] [163] [164]
^ Una excepción notable es el evento del 5 de marzo de 1979, una explosión extremadamente brillante que se localizó con éxito en el remanente de supernova N49 en la Gran Nube de Magallanes . Este evento se interpreta ahora como una llamarada gigante de magnetar , más relacionada con llamaradas SGR que con estallidos "verdaderos" de rayos gamma.
^ Los GRB reciben el nombre de la fecha en la que se descubren: los dos primeros dígitos son el año, seguidos del mes de dos dígitos y el día de dos dígitos y una letra con el orden en que se detectaron durante ese día. La letra "A" se añade al nombre de la primera ráfaga identificada, "B" para la segunda, y así sucesivamente. Para las ráfagas anteriores al año 2010, esta letra solo se adjuntó si se produjo más de una ráfaga ese día.
^ La duración de una ráfaga normalmente se mide 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 por lo demás "cortos" van seguidos de un segundo episodio de emisión mucho más largo que, cuando se incluye en la curva de ráfaga de luz, produce duraciones T90 de hasta varios minutos: estos eventos sólo son cortos en el sentido literal cuando este componente está excluido.
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