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Los investigadores de la Colaboración H.E.S.S. lograron derivar el espectro intrínseco de la emisión de rayos gamma de muy alta energía posterior a un estallido de rayos gamma relativamente cercano. Sorprendentemente, el espectro de rayos gamma se asemeja al de los rayos X de energía mucho más baja, mientras que se observó que la emisión de desvanecimiento de ambas bandas marchó en paralelo durante tres noches. Estos notables hallazgos desafían los actuales escenarios de emisión.
Los estallidos de rayos gamma (GRBs) son destellos brillantes de rayos X y gamma observados en el cielo, emitidos por fuentes extragalácticas distantes. Se asocian a la creación o fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros; procesos que dan lugar a un estallido explosivo de material que se mueve increíblemente cerca de la velocidad de la luz. Los destellos iniciales, que duran unos pocos segundos, van seguidos de una fase de resplandor de larga duración que puede ser detectable durante varios días en rayos X, y a menudo semanas o incluso meses en las bandas ópticas y de radio. Fue esta emisión posterior la que confirmó por primera vez el origen extragaláctico de los GRB. La radiación del resplandor de rayos X se produce cuando los electrones acelerados interactúan y pierden energía dentro del campo magnético de la onda expansiva. Esta energía se irradia en forma de fotones de sincrotrón.
Los resplandores de los GRBs se consideran un excelente laboratorio cósmico para estudiar la aceleración de partículas en el cosmos, debido a la aparente simplicidad de la física subyacente. Esto contrasta con la fase rápida, que es extremadamente compleja. Muchos aspectos de la emisión de posluminiscencia son bien conocidos en rayos X, pero la emisión de muy alta energía (VHE, >100 GeV) - seis órdenes de magnitud más energética que los rayos X - ha sido una pieza que faltaba en el rompecabezas de múltiples longitudes de onda.
En el régimen VHE, realizar una detección es especialmente difícil, ya que el Universo lejano no es totalmente transparente a los rayos gamma VHE debido a su absorción en la luz de fondo que impregna el Universo. En los últimos años se han dado pasos importantes hacia la comprensión de los GRBs en VHE con dos detecciones, la primera observada 10 horas después del inicio del resplandor y la segunda en la primera hora del resplandor. Ambas fueron observables durante no más de dos horas y se produjeron a distancias cosmológicas moderadas, lo que limitó la energía más alta del espectro que se pudo sondear. Sin embargo, el proceso responsable de la emisión más energética seguía sin ser concluyente.
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| Ráfaga desvanecida: Los mapas del cielo de H.E.S.S. de GRB190829A muestran el desvanecimiento de la emisión posterior a la explosión durante las tres noches de observación (paneles A, B, C). Crédito: © H.E.S.S. Collaboration |
Ahora, el equipo internacional de investigadores que opera el conjunto de telescopios atmosféricos Cherenkov del H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), ha informado de la detección de un tercer GRB, a un desplazamiento al rojo de solo z = 0,0785, a solo mil millones de años luz de distancia. "Un estallido de rayos gamma que ocurre en nuestro patio trasero cósmico como este, es algo muy raro, y una fantástica oportunidad para entender lo que está pasando en las energías más altas" - mencionó Jim Hinton, director en el MPIK.
El 29 de agosto de 2019, el Fermi Gamma-Ray Burst Monitor y el Swift Burst Alert Telescope detectaron y localizaron el GRB 190829A. Posteriormente, los observatorios terrestres, incluido el H.E.S.S., se volcaron en esta posición para seguir la evolución de este estallido en un rango muy amplio de longitudes de onda. Las observaciones con el H.E.S.S. comenzaron 4 horas después del estallido, cuando la fuente se hizo visible para sus telescopios. Edna Ruiz Velasco, estudiante de doctorado del MPIK, fue una de las investigadoras principales del trabajo: "Hemos podido cubrir el resplandor del GRB desde 4 a 56 horas después de la explosión inicial y medir su emisión con gran precisión". Dmitry Khangulyan, miembro del H.E.S.S. de la Universidad de Rikkyo, en Japón, y antiguo alumno del MPIK, añadió: "Este nuevo resultado proporciona dos nuevas y únicas perspectivas de observación sobre las posluminiscencias de los GRB".
La determinación precisa del espectro a lo largo de más de un orden de magnitud en energía, de 0,18 a 3,3 TeV, y cubriendo un amplio rango temporal de varios días, fue posible gracias a una combinación de buena sensibilidad instrumental y la proximidad fortuita del GRB. Estas mediciones tan precisas en un amplio rango de energía han permitido sondear de forma fiable el espectro intrínseco del VHE por primera vez. Como señaló Carlo Romoli, investigador postdoctoral en el MPIK, "estos nuevos resultados han revelado curiosas similitudes entre la emisión de rayos X y de rayos gamma VHE".
Sin embargo, una conexión tan fuerte es inesperada en la teoría estándar de los GRB, que predice un origen separado para el componente VHE. En esta teoría, la emisión de sincrotrón hasta los rayos gamma VHE no es posible, ya que se coloca un máximo de energía en los electrones. Sin embargo, las observaciones del H.E.S.S. pueden explicarse si los electrones se aceleran más allá de este límite. "La trascendental implicación de esta posibilidad pone de manifiesto la necesidad de realizar más estudios sobre la emisión de resplandor posterior de los GRBs VHE", mencionó Felix Aharonian, miembro científico externo del MPIK y del DIAS en Irlanda.
Como destacó Andrew Taylor, del DESY-Zeuthen (y otro exalumno del MPIK), "la comunidad está cada vez más entusiasmada con las perspectivas de la próxima generación de observatorios. Tras décadas de búsqueda, por fin nos acercamos a la comprensión de los procesos que rigen este fenómeno tan energético". De cara al futuro, las perspectivas de detección de GRBs por parte de futuros instrumentos parecen prometedoras. Ciertamente, la abundancia de detecciones de resplandores de GRBs en los últimos años indica que las detecciones regulares en la banda VHE serán bastante comunes. Sin embargo, este resultado del H.E.S.S. ha puesto el listón muy alto, ya que ha puesto de manifiesto la importancia científica de la detección en VHE de GRBs locales, sobre todo en momentos tardíos del resplandor.
Fuentes, créditos y referencias:
“Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the
GRB 190829A afterglow” by H.E.S.S. collaboration, 3 June 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abe8560
Imagen: Un destello en el espacio: Una vista artística de un estallido de rayos gamma. Crédito: DESY, Science Communication Lab