Hace cincuenta años, el 1 de junio de 1973, a los astrónomos de todo el mundo se les presentó un nuevo fenómeno poderoso y desconcertante llamado GRB (explosiones de rayos gamma). Hoy en día, los sensores en satélites en órbita como las misiones Swift y Fermi de la NASA detectan un GRB en algún lugar del cielo una vez al día en promedio. Los astrónomos creen que los estallidos surgen de eventos catastróficos que involucran estrellas en galaxias distantes, eventos que se cree que producen nuevos agujeros negros.
“Todavía puedo recordar la emoción cuando se descubrieron los estallidos de rayos gamma”, dijo Charles Meegan, científico investigador de la Universidad de Alabama, Huntsville, que ayudó a desarrollar detectores GRB en los satélites Compton y Fermi de la NASA. “Era un estudiante de posgrado en ese entonces, sin saber que el estudio de estos extraños eventos sería mi carrera durante los próximos 50 años”.
Brotes lejanos
Con los GRB, casi todo es extremo. Ocurren tan lejos más allá de nuestra galaxia que incluso el estallido conocido más cercano explotó a más de 100 millones de años luz de distancia. Cada ráfaga produce un pulso inicial de rayos gamma, la forma de luz de mayor energía, que normalmente dura de milisegundos a minutos. Esta emisión proviene de un chorro de partículas que se mueve cerca de la velocidad de la luz lanzado en nuestra dirección, y cuanto más cerca estamos de mirar directamente hacia abajo del cañón, más brillante parece. Después de esta rápida emisión, se produce un resplandor de rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, visible, infrarroja y de radio que los astrónomos pueden rastrear durante horas o meses.
Incluso medio siglo después, los GRB ofrecen sorpresas. Un estallido reciente fue tan brillante que cegó temporalmente a la mayoría de los detectores de rayos gamma en el espacio. Apodado el BARCO (por más brillante de todos los tiempos), la explosión de 7 minutos puede haber sido el GRB más brillante en los últimos 10,000 años. También mostró que los modelos más prometedores de estos eventos de los científicos no están completos.
observadores de armas nucleares
La historia de GRB comienza en octubre de 1963, cuando entró en vigor un tratado firmado por los Estados Unidos, el Reino Unido y la Unión Soviética que prohibía las pruebas de armas nucleares en la atmósfera, bajo el agua o en el espacio. Para garantizar el cumplimiento, la Fuerza Aérea de EE. UU. ha estado gestionando un esfuerzo de investigación y desarrollo no clasificado para detectar pruebas nucleares desde el espacio. Una semana después de la entrada en vigor del tratado, los dos primeros de estos satélites, llamados Vela (del español “vigilar”), comenzaron su trabajo.
Lanzados en pares, los satélites Vela llevaban detectores diseñados para detectar el destello inicial de rayos X y rayos gamma de las explosiones nucleares. A veces desencadenaron eventos que claramente no eran pruebas nucleares, y los científicos recolectaron y estudiaron estas observaciones. Con instrumentos mejorados en los cuatro satélites Vela 5 y 6, Ray Klebesadel del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México, junto con sus colegas Ian Strong y Roy Olsen, determinaron las direcciones de 16 eventos de rayos gamma confirmados lo suficientemente bien como para descartar la Tierra y el El sol como fuentes. Publicaron un artículo anunciando el descubrimiento en The Astrophysical Journal el 1 de junio de 1973.
Utilizando un detector a bordo del satélite IMP 6 destinado a estudiar las erupciones solares, Tom Cline y Upendra Desai del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, confirmaron rápidamente los hallazgos de Vela.
Avances: BATSE y BeppoSAX
Si bien los teóricos propusieron 100 modelos en un esfuerzo por explicar los GRB, la mayoría relacionados con estrellas de neutrones en nuestra propia galaxia, el progreso de la observación fue lento a pesar del creciente número de detecciones por parte de diferentes naves espaciales. Los rayos gamma no se pueden enfocar como la luz visible o los rayos X, lo que dificulta bastante las localizaciones precisas. Sin ellos, era imposible buscar homólogos de GRB en otras longitudes de onda usando telescopios más grandes en el espacio o en tierra.
En 1991, la NASA lanzó el Observatorio de rayos gamma Compton, que incluía un instrumento llamado BATSE (Experimento científico de ráfagas y transitorios) dedicado a explorar los GRB. Desarrollado en el Marshall Space Flight Center de la NASA en Huntsville, Alabama, por un equipo que incluía a Meegan, BATSE era aproximadamente 10 veces más sensible que los detectores GRB anteriores. Durante la misión de nueve años de Compton, BATSE detectó 2704 ráfagas, lo que proporcionó a los astrónomos un rico conjunto de observaciones realizadas con el mismo instrumento.
En su primer año, los datos de BATSE mostraron que las ráfagas se distribuyeron por todo el cielo en lugar de seguir un patrón que reflejaba la estructura de nuestra galaxia, la Vía Láctea. “Esto sugirió que venían de galaxias distantes, y eso significaba que tenían más energía de lo que la mayoría de los científicos creía posible”, dijo Meegan.
Casi al mismo tiempo, Chryssa Kouveliotou, otro miembro del equipo de BATSE, dirigió un esfuerzo para clasificar los estallidos. El equipo descubrió que las duraciones de las ráfagas se agrupaban en dos grandes grupos, uno que duraba menos de dos segundos y el otro que duraba más de dos segundos, y que las ráfagas cortas producían rayos gamma de mayor energía que las largas.
“Entonces, tanto las propiedades temporales como las espectrales coincidieron en la identificación de dos grupos separados de GRB: cortos y largos”, dijo Kouveliotou, quien ahora preside el departamento de física de la Universidad George Washington. “Poco después, los teóricos asociaron los GRB largos con el colapso de estrellas masivas y los cortos con fusiones de estrellas de neutrones binarias”.
El siguiente paso en la comprensión se produjo con las observaciones de cuencas hidrográficas del satélite ítalo-holandés BeppoSAX. Aunque no se diseñó específicamente como una misión GRB, su combinación de instrumentos, incluido un monitor de rayos gamma y dos cámaras de rayos X de campo amplio, resultó ser una gran ayuda para el campo.
Cuando se produjo un estallido en el campo de visión de una de las cámaras de rayos X, la nave espacial pudo localizarlo lo suficientemente bien en un par de horas para que se pudieran utilizar instrumentos adicionales. Cada vez que BeppoSAX giraba hacia la posición de un GRB, sus instrumentos encontraban una fuente de alta energía previamente desconocida y que se desvanecía rápidamente: el resplandor de rayos X que los teóricos habían predicho. Estas posiciones permitieron que grandes observatorios terrestres descubrieran resplandores prolongados de GRB en luz visible y ondas de radio, y también permitieron las primeras mediciones de distancia, lo que confirmó que los GRB eran eventos verdaderamente lejanos.
Necesidad de la velocidad
En 2000, la NASA lanzó HETE 2, un pequeño satélite diseñado para detectar y localizar GRB. Fue la primera misión en calcular posiciones precisas a bordo y rápidamente, en decenas de segundos, comunicarlas a tierra para que otros observatorios pudieran estudiar las primeras fases del resplandor. El estallido que descubrió el 29 de marzo de 2003 también exhibió características definitivas de supernova, lo que confirma una supuesta relación entre los dos fenómenos.
Lo que BeppoSAX tomó un par de horas, el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA, lanzado en 2004, puede hacerlo en aproximadamente un minuto. “Lo llamamos Swift por una razón”, dijo S. Bradley Cenko de Goddard, el actual investigador principal de la misión. “Su respuesta rápida y automatizada nos permitió detectar destellos y otras características en los resplandores posteriores de rayos X que no se habían visto antes”.
El seguimiento de los GRB detectados por estas misiones confirmó que los estallidos largos estaban asociados con las regiones de formación de estrellas de las galaxias y, a menudo, iban acompañados de supernovas. En mayo de 2005, Swift pudo identificar el primer resplandor residual de un GRB corto, lo que demuestra que estas explosiones ocurren en regiones con poca formación estelar. Esto reforzó el modelo de ráfagas cortas como fusiones de estrellas de neutrones, que pueden viajar lejos de su lugar de nacimiento durante los muchos millones de años que tardan en colisionar.
En 2008, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA se unió a Swift en la búsqueda de GRB y ha observado alrededor de 3500 hasta la fecha. Su GBM (Monitor de ráfagas de rayos gamma) y su Telescopio de área grande permiten la detección y el seguimiento de ráfagas desde rayos X hasta los rayos gamma de mayor energía detectados en el espacio, un lapso de energía de 100 millones de veces. Esto ha permitido el descubrimiento de rayos gamma de resplandor residual con miles de millones de veces la energía de la luz visible.
La próxima revolución
En 2017, Fermi y el satélite europeo INTEGRAL vincularon un GRB corto a una fuente de ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo producidas a medida que las estrellas de neutrones en órbita giraban hacia adentro y se fusionaban. Esta fue una primicia importante que conectó dos “mensajeros” cósmicos diferentes, la gravedad y la luz. Si bien los astrónomos no han visto otro estallido de “gravedad y luz” desde entonces, esperan que aparezcan más en las series de observación actuales y futuras de los observatorios de ondas gravitacionales.
“Estamos construyendo nuevos satélites con mayor sensibilidad para profundizar en este fenómeno, por lo que el futuro de la ciencia GRB es brillante”, dijo Dan Kocevski de Marshall, miembro del equipo Fermi GBM e investigador principal de StarBurst, un pequeño satélite. diseñado para explorar GRB de fusiones de estrellas de neutrones. Otras misiones incluyen Glowbug, parte de un paquete de experimentos lanzado a la Estación Espacial Internacional en marzo y dirigido por J. Eric Grove en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington; BurstCube, dirigido por Jeremy Perkins de Goddard y cuyo lanzamiento está programado para principios de 2024; MoonBEAM, que orbitaría entre la Tierra y la Luna y está dirigido por Chiumun Michelle Hui de Marshall; y LEAP, diseñado para estudiar los chorros GRB de la estación espacial, dirigido por Mark McConnell en la Universidad de New Hampshire, Durham.
Y a medida que las instalaciones de rayos gamma y gravitacionales mejoren su alcance, se abrirá un nuevo capítulo de la historia de GRB.
“Lo que revolucionará por completo nuestra comprensión de los GRB”, dijo Alessandra Corsi, profesora asociada de la Universidad Tecnológica de Texas en Lubbock, “será la capacidad de rastrearlos cuando el universo estaba formando estrellas con mayor intensidad, hace unos 10 mil millones de años. Esta parte del universo será examinada por la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales, 10 veces más sensibles que los que tenemos actualmente, y por futuras misiones de rayos gamma que pueden garantizar la continuidad con la ciencia fantástica que Swift y Fermi han permitido”.
Con información de The Astrophysical Journal
