El pasado mes de octubre, tras uno de los destellos de rayos gamma más brillantes jamás observados en el cielo, los telescopios de todo el mundo capturaron una gran cantidad de datos de un evento que se cree anuncia el colapso de una estrella masiva y el nacimiento de un agujero negro.
Pero esa manguera contra incendios de datos demostró claramente que nuestra comprensión de cómo las estrellas colapsan y generan enormes chorros de material que sale acompañado de poderosas explosiones de rayos X y rayos gamma, y probablemente muchos elementos pesados, es lamentablemente inadecuado.
“Los datos son tan buenos que, básicamente, los modelos fallaron, fallaron profundamente”, dijo Raffaella Margutti, profesora asociada de astronomía y física en la Universidad de California, Berkeley. “Eso tiene sentido porque los modelos no son muy complicados. La naturaleza dice: ‘Bueno, lo que estás viendo es probablemente una salida que tiene muchos más componentes de los que crees'”.
Los detalles de los numerosos conjuntos de observaciones de telescopios de radio, ópticos, de rayos X y de rayos gamma se presentaron hoy en una reunión de la División de Astrofísica de Alta Energía de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Waikoloa, Hawái, y en artículos publicados en The Astrophysical Journal Letters.
Margutti fue uno de los astrónomos que movilizaron observatorios de todo el mundo después de que dos satélites de la NASA detectaran el estallido de rayos gamma el 9 de octubre de 2022. Llamado GRB 221009A, duró más de 300 segundos, marcándolo como un rayo gamma de “larga duración”. (GRB) y vinculándolo con el colapso del núcleo de una estrella masiva en un agujero negro, este a unos 1.900 millones de años luz de la Tierra. Se cree que el colapso del núcleo empuja el material fuera de los polos de la estrella en chorros altamente colimados a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Si la Tierra está en el camino del chorro, vemos un estallido de rayos gamma.
“A medida que los chorros chocan contra el gas que rodea a la estrella moribunda, se produce un resplandor de luz brillante en todo el espectro”, dijo Tanmoy Laskar, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah y autor principal del estudio aceptado por ApJ Letters. . “Los resplandores posteriores de los GRB se desvanecen con bastante rapidez, lo que significa que tuvimos que ser rápidos y ágiles para capturar la luz antes de que desapareciera, llevándonos sus secretos”.
Astronomía multi-mensajero
Margutti, Laskar y sus colegas activaron rápidamente programas de observación en el satélite NuSTAR de la NASA, así como observaciones en una gran cantidad de otras instalaciones, incluido el Radiotelescopio Gigante de Ondas Métricas (GMRT) en India, el Conjunto MeerKAT en Sudáfrica, el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) en Nuevo México (EE. UU.), Atacama Large Millimeter Array (ALMA) en Chile y Submillimeter Array (SMA) en Hawái. Las observaciones de múltiples longitudes de onda recopiladas por los investigadores ahora comprenden uno de los conjuntos de datos más detallados para un resplandor residual GRB hasta la fecha. Si bien creen que el estallido está relacionado con la explosión de una estrella masiva, aún no han encontrado evidencia de la luz de la supernova.
Con las observaciones de NuSTAR, los investigadores midieron la forma del espectro de rayos X con una precisión exquisita, lo que permitió una estimación de cómo las partículas son aceleradas por la onda de choque de la explosión y giran en espiral alrededor de los campos magnéticos perturbados por la explosión.
“Las observaciones de NuSTAR fueron esenciales para este estudio porque nos ayudaron a precisar la fuerza del campo magnético en el resplandor”, dijo Margutti. Es importante conocer la fuerza del campo magnético, porque sin ella, la verdadera energía de la explosión no se puede estimar fácilmente.
A partir de su análisis, los astrónomos descubrieron que la energía del chorro era la típica de la mayoría de los GRB, aunque desde la Tierra parecía unas 70 veces más brillante que cualquier GRB anterior.
“Creemos que lo que hace que este GRB brille, más que una alta energía intrínseca, es el ángulo particularmente estrecho en el que se canaliza esa energía”, dijo Kate Alexander, profesora asistente de astronomía en la Universidad de Arizona y coautora de el estudio.
Al analizar y combinar los datos de todos estos telescopios, descubrieron que las mediciones de radio eran más brillantes de lo esperado basándose únicamente en los rayos X y la luz visible. Esto no se ajustaba a la firma de un choque inverso, una situación hipotética en la que una onda de choque se propaga hacia atrás a través del chorro y genera emisiones de radio, pero indicaba que sucedió algo más complicado cuando el chorro atravesó el material que rodeaba la estrella que colapsaba.
“O no entendemos los choques inversos o hemos encontrado un componente de emisión completamente nuevo”, dijo Laskar.
“Creemos que todavía hay un chorro muy rápido que genera los rayos X y la luz visible en este resplandor”, agregó Margutti. “Pero nuestro modelo sugiere que algo completamente diferente está creando la luz de radio”.
Las observaciones de chorros de estrellas de neutrones en colisión, por ejemplo, muestran que los chorros están acompañados por turbulencias alrededor del estrecho núcleo del chorro que se ve desde la distancia como una cubierta de material.
“Sabemos que los chorros lanzados por fusiones de estrellas de neutrones desarrollan alas de material menos colimado alrededor de un núcleo muy estrecho”, dijo Margutti. “Es natural esperar que ocurra un efecto similar con un chorro que tiene que atravesar una cantidad significativamente mayor de material, por ejemplo, una estrella masiva, como en el caso de GRB 221009A. Entonces, esperamos un chorro con un núcleo muy estrecho que domina la emisión de alta energía, rodeado por una vaina de material”.
Cualquiera que sea la causa, los datos implican que se debe revisar una teoría de hace décadas sobre los jets GRB, dijo Laskar.
Margutti enfatizó que este colapso estelar tiene más que contar a los astrónomos. El resplandor aún es detectable y es probable que sea visible durante años. Ella y sus colegas están planeando observaciones con el telescopio espacial James Webb, el telescopio espacial Hubble y muchos telescopios terrestres para seguir la luz cambiante de GRB 221009A. Y en algún momento, cuando los chorros de la explosión estelar hayan viajado lo suficientemente lejos del agujero negro para ser visibles, esperan obtener una imagen de los chorros utilizando interferómetros de radio, como el Very Long Baseline Array que abarca el hemisferio.
Con información de The Astrophysical Journal Letters
