El extraño resplandor de un estallido de rayos gamma

Usando el observatorio H.E.S.S., los investigadores de GBR 190829A observan características inusuales que desafían los modelos

10 de junio de 2021

Investigadores de la colaboración H.E.S.S. lograron derivar el espectro intrínseco de la emisión de resplandor de rayos gamma de muy alta energía de 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. Además, se observó que la emisión en desvanecimiento de ambas bandas marchó en paralelo durante tres noches. Estos notables hallazgos desafían los escenarios actuales de emisiones.

Destello en el espacio: perpcepción de un artista de un estallido de rayos gamma.
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Destello en el espacio: perpcepción de un artista de un estallido de rayos gamma.

 

Los estallidos de rayos gamma (GRB por sus siglas en inglés) son rayos X brillantes y destellos de rayos gamma observados en el cielo, emitidos por fuentes extragalácticas distantes. Están asociados con la creación o fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros; procesos que dan como resultado un estallido explosivo de material que se mueve increíblemente cerca de la velocidad de la luz. Los destellos iniciales, que duran unos segundos, son seguidos por una fase de resplandor de larga duración que puede detectarse durante varios días en rayos X y, a menudo, semanas o incluso meses en las bandas óptica y de radio. Fue esta emisión de resplandor la que primero confirmó el origen extragaláctico de los GRB. La radiación de resplandor de rayos X es producida por electrones acelerados que 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 GRB 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 resplandor son muy conocidos en rayos X, pero la emisión de muy alta energía (VHE por sus siglas en inglés) , seis órdenes de magnitud más energética que los rayos X (VHE,> 100 GeV), era una pieza faltante en el rompecabezas de longitud de onda.

Explosión en desvanecimiento: Los mapas del cielo de GRB190829A del H.E.S.S. muestran la emisión de resplandor crepuscular que se desvanece durante las tres noches de observación (paneles A, B, C).
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Explosión en desvanecimiento: Los mapas del cielo de GRB190829A del H.E.S.S. muestran la emisión de resplandor crepuscular que se desvanece durante las tres noches de observación (paneles A, B, C).

 

[menos]

En el régimen VHE , realizar una detección es particularmente desafiante ya que el Universo distante no es completamente transparente a los rayos gamma VHE, debido a la absorción en la luz de fondo que impregna el Universo. En los últimos años, se han dado pasos importantes hacia la comprensión de los GRB en los VHE con dos detecciones, la primera observada 10 horas después del inicio del resplandor crepuscular y la segunda dentro de la primera hora del resplandor crepuscular. Ambos fueron observables durante no más de dos horas y ocurrieron a distancias cosmológicas moderadas, lo que limita la energía más alta en el espectro que se podía probar. Sin embargo, el proceso responsable de la emisión más energética no fue concluyente.

Ahora, el equipo internacional de investigadores que opera el H.E.S.S. (Sistema estereoscópico de alta energía) de telescopios atmosféricos Cherenkov, informó la detección de un tercer GRB, con un corrimiento 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 éste, es algo muy raro y una oportunidad fantástica para comprender lo que está sucediendo con las energías más altas”, mencionó Jim Hinton, director de IMP de Física Nuclear.

El 29 de agosto de 2019, el monitor de ráfagas de rayos gamma Fermi y el telescopio Swift Burst Alert detectaron y localizaron GRB 190829A. Posteriormente, los observatorios terrestres, incluido el H.E.S.S. se orientaron hacia esa posición para monitorear la evolución de este estallido en un rango muy amplio de longitudes de onda. Las observaciones con H.E.S.S. comenzaron 4 horas después de la explosión, cuando la fuente se hizo visible para sus telescopios. Edna Ruiz Velasco, estudiante de doctorado del IMP de Física Nuclear, fue una de las principales investigadoras del trabajo: “Hemos podido cubrir el resplandor de GRB de 4 a 56 horas después de la explosión inicial y medir su emisión con mucha precisión”. Dmitry Khangulyan, un miembro del  H.E.S.S. de la Universidad de Rikkyo en Japón, y ex alumno del IMP, agregó: "Este nuevo resultado proporciona dos nuevos y únicos conocimientos de observación sobre los resplandores de GRB".

La determinación precisa del espectro en más de un orden de magnitud en energía, de 0,18 a 3,3 TeV, y que cubre un rango temporal extendido de varios días, fue posible gracias a una combinación de buena sensibilidad instrumental y la proximidad fortuita del GRB. Tales mediciones precisas en un amplio rango de energía han permitido que el espectro VHE intrínseco sea probado de manera confiable por primera vez. Como señaló Carlo Romoli, investigador postdoctoral de IMP, "estos nuevos resultados han revelado curiosas similitudes entre la emisión de rayos X y la emisión de rayos gamma VHE".

Sin embargo, una conexión tan fuerte es inesperada en la teoría estándar de GRB, que predice un origen separado para el componente VHE. En esta teoría, la emisión de sincrotrón hasta rayos gamma VHE no es posible, ya que se coloca una energía máxima en los electrones. Las observaciones de H.E.S.S., sin embargo, se pueden explicar si los electrones se aceleran más allá de este límite. “La implicación de gran alcance de esta posibilidad destaca la necesidad de realizar más estudios sobre la emisión de resplandor crepuscular de VHE GRB”, mencionó Felix Aharonian, miembro científico externo de MPIK y de DIAS en Irlanda.

Como destacó Andrew Taylor de DESY-Zeuthen (y otro ex alumno del IMP), “la comunidad se está entusiasmando cada vez más con las perspectivas de la próxima generación de observatorios. Después de décadas de búsqueda, finalmente nos estamos acercando a comprender los procesos que rigen este fenómeno tan energético ”. De cara al futuro, las perspectivas de detección de GRB por parte de futuros instrumentos parecen prometedoras. Ciertamente, la abundancia de detecciones de resplandor crepuscular de GRB en los últimos años indica que las detecciones regulares en la banda VHE se volverán bastante comunes. Sin embargo, los resultados de este H.E.S.S. han puesto la vara muy alta, resaltando la importancia científica de la detección en VHE de GRB locales, particularmente en momentos tardíos en el resplandor crepuscular.

 
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