Superando los límites: descubrimiento de fotones de muy alta energía provenientes de un brote de rayos gamma

Los brotes de rayos gamma (GRB, "gamma ray bursts" en inglés) son las explosiones más violentas en el universo y aparecen repentinamente en el cielo, aproximadamente una vez al día. Se cree que son el resultado del colapso de estrellas masivas o de la fusión de estrellas de neutrones en galaxias distantes. Comienzan con un destello inicial muy brillante, llamado emisión rápida, con una duración que varía desde una fracción de segundo hasta cientos de segundos. Esta emisión inmediata se acompaña de una post-luminiscencia, una emisión más débil pero más duradera en un amplio rango de longitudes de onda. El primer GRB detectado por los telescopios MAGIC, conocido como GRB 190114C, revela los fotones de mayor energía detectados hasta ahora provenientes de estos objetos.

 

Esta observación sin precedentes aporta nuevos indicios para comprender los procesos físicos que suceden en los GRB, los cuales aún son un misterio. Los fotones detectados por MAGIC deben originarse a partir de un proceso hasta ahora no observado en la post-luminiscencia de GRB, claramente distinto del proceso físico responsable de su emisión a energías más bajas.

Estos resultados se publican en dos artículos en la revista Nature el 21 de Noviembre de 2019 (DOI : 10.1038/s41586-019-1750-x y 10.1038/s41586-019-1754-6)

(Consultar la Información Suplementaria para obtener más información sobre GRB, post-luminiscencia, procesos de emisión y los telescopios MAGIC)

Detección de MAGIC y observaciones en múltiples longitudes de onda

El 14 de enero de 2019, dos satélites espaciales descubrieron independientemente un GRB: el Neil Gehrels Swift Observatory y el Fermi Gamma-ray Space Telescope. Al brote se le llamó GRB 190114C, y en 22 segundos, sus coordenadas en el cielo se distribuyeron en forma de alerta electrónica a los astrónomos de todo el mundo, incluida la Colaboración MAGIC, que opera dos telescopios Cherenkov de 17 metros de diámetro ubicados en La Palma, España. Dado que los GRB aparecen en lugares impredecibles en el cielo y luego desvanecen rápidamente, su observación por telescopios como MAGIC requiere una estrategia de seguimiento dedicada. Un sistema automático procesa en tiempo real las alertas de GRB que envían los satélites y hace que los telescopios MAGIC apunten rápidamente a la posición del cielo donde se ha producido el GRB. Maria Victoria Fonseca, presidenta de la Junta de la Colaboración MAGIC destaca: "Los telescopios fueron diseñados para ser muy livianos y poder moverse rápidamente. A pesar de pesar 64 toneladas cada uno, pueden rotar 180 grados en sólo 25 segundos. Gracias a esto, MAGIC empezó a observar GRB 190114C sólo 50 segundos después de su comienzo".

El análisis de los datos recogidos durante las primeras decenas de segundos revela la emisión de fotones en la post-luminiscencia que alcanzan energías de teraelectronvoltios (TeV), un billón de veces más energéticos que la luz visible. Durante este tiempo, la emisión de fotones de TeV del GRB 190114C fue 100 veces más intensa que la fuente estable más brillante conocida en estas energías, la Nebulosa del Cangrejo. Así, el GRB 190114C pasó a ostentar el récord de ser la fuente más brillante conocida de fotones de TeV. Como se esperaba para la post-luminiscencia de los GRB, la emisión se desvaneció rápidamente con el tiempo, igual que la post-luminiscencia ya observada a energías más bajas. Los últimos destellos fueron vistos por MAGIC media hora después.

Por primera vez, la Colaboración MAGIC anunció la detección inequívoca de fotones de TeV de un GRB a la comunidad internacional de astrónomos sólo unas horas después de las alertas enviadas por los satélites, después de una cuidadosa verificación de los datos preliminares. Esto facilitó una extensa campaña de observaciones en múltiples longitudes de onda del GRB 190114C, con la contribución de más de dos docenas de observatorios e instrumentos, proporcionando una cobertura completa de este GRB desde la banda de radio hasta las energías TeV. En particular, las observaciones ópticas permitieron medir la distancia que han viajado los fotones desde que se generaron en el GRB 190114C, aproximadamente 4 500 millones de años luz.

Los fotones de mayor energía ponen en evidencia un proceso de emisión adicional

Aunque la emisión de TeV en la post-luminiscencia de los GRB se había predicho en algunos estudios teóricos, nunca antes se había confirmado experimentalmente, a pesar de numerosos esfuerzos en las últimas décadas con varios instrumentos, incluido MAGIC. ¿Qué mecanismo físico está detrás de la producción de los fotones de TeV finalmente detectados por MAGIC? Las energías son mucho más altas de lo que se puede esperar de la radiación sincrotrón, causada por los electrones de alta energía en movimiento dentro de campos magnéticos. Este proceso se considera responsable de la emisión que se había observado anteriormente a energías más bajas en la post-luminiscencia de los GRB. "La noche que detectamos el GRB 190114C, estaba en la sala de control de los telescopios MAGIC. Desde el primer momento, nos dimos cuenta que los fotones que íbamos viendo pasaban el límite de la radiación de sincrotrón. Estos nuevos resultados, junto con los numerosos datos en múltiples longitudes de onda, proporcionan la primera evidencia inequívoca de un proceso de emisión adicional y distinto en la post-luminiscencia." explica Elena Moretti, astrofísica de la comunidad española y una de las principales autoras de los resultados. El análisis de los datos indica que el candidato preferido es el llamado proceso inverso de Compton, donde los electrones de alta energía transfieren energía al colisionar con la población de fotones existentes, haciéndolos más energéticos.

"Después de más de 50 años desde que se descubrieron los GRB, muchos de sus aspectos fundamentales siguen siendo un misterio", comenta Razmik Mirzoyan, el portavoz de la Colaboración MAGIC. "El descubrimiento de la emisión de rayos gamma en el GRB 190114C en la banda TeV del espectro electromagnético muestra que los GRB son aún más potentes de lo que se pensaba. La riqueza de los datos del GRB 190114C adquiridos por MAGIC y las extensas observaciones de seguimiento en múltiples longitudes de onda, ofrecen pistas importantes para desentrañar algunos de los misterios relacionados con los procesos físicos que suceden en los GRB".

Un estudio comparativo de todas las observaciones anteriores de GRB por MAGIC sugiere que el GRB 190114C no fue un evento particularmente único, excepto por su relativa proximidad (a unos 4 500 millones de años luz de la Tierra), y que la detección exitosa se debe al excelente rendimiento del instrumento. Con la detección del GRB 190114C, MAGIC abre una nueva ventana para estudiar los GRB. Todo indica que se pueden detectar muchos más GRB en las energías del TeV y facilitar el camino para una comprensión mucho más profunda de estas fascinantes explosiones cósmicas.

La comunidad española participa en MAGIC desde sus inicios. Actualmente son miembros de MAGIC el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). L'IEEC participa en este proyecto a través de investigadores de las unidades ICCUB y CERES-UAB Además, el centro de datos de MAGIC es el Port d'Informació Científica (PIC), una colaboración del IFAE y el CIEMAT.

Contactos científicos:

Para obtener más información sobre MAGIC, la observación del GRB y los resultados relacionados, se proporcionan los siguientes contactos:

Razmik Mirzoyan, portavoz de la Colaboración MAGIC
Astrofísico
Max-Planck-Institute for Physics, Munich, Alemania
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Maria Victoria Fonseca, presidenta de la Junta de la Colaboración MAGIC
Astrofísica
Universidad Complutense de Madrid, Madrid, España
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Elena Moretti, coordinadora de fuentes transitorias de la Colaboración MAGIC
Astrofísica
Instituto de Física de Altas Energías, Bellaterra, España
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MATERIAL GRÁFICO

https://drive.google.com/drive/folders/176IOQPP2WyuvJr5dQeWmXqjx1vaeDJr4?usp=sharing

INFORMACIÓN SUPLEMENTARIA

¿Qué son los brotes de rayos gamma?

Los brotes de rayos gamma (GRB, siglas en inglés) son explosiones breves y extremadamente potentes que suceden en nuestro Universo. En unos segundos, liberan una energía que es comparable a la energía emitida por nuestro Sol durante toda su vida. Se cree que son el resultado del colapso de estrellas masivas al final de sus vidas, o la fusión de sistemas binarios de objetos compactos como estrellas de neutrones. Tales sistemas pueden crear chorros de plasma colimados que se expulsan a velocidades cercanas a la de la luz.

Los GRB comienzan con una emisión rápida, un destello inicial de radiación muy brillante, principalmente en rayos X y rayos gamma de megaelectronvoltios (un millón de veces más energético que la luz visible). La duración de la fase de emisión rápida puede variar entre una fracción de segundo y algún centenar de segundos, y exhibe una variabilidad irregular en escalas de tiempo de milisegundos. Se cree que esta emisión proviene de alguna región dentro de los chorros, pero el mecanismo físico subyacente aún no se entiende bien.

La emisión rápida es seguida por la post-luminiscencia, una emisión menos brillante que se desvanece durante un período de tiempo más prolongado. Se cree que las ondas de choque causadas por la interacción de los chorros con el gas ambiental son el origen de la post-luminiscencia. Se suele detectar en un amplio rango de energías, desde las bandas de radio, infrarroja, óptica y ultravioleta, así como en rayos X y rayos gamma de gigaelectronvoltios (mil millones de veces más enérgico que la luz visible). Se cree que la mayor parte es emisión de sincrotrón, causada por electrones de alta energía que se aceleran en las ondas de choque y giran en espiral alrededor de los campos magnéticos ambientales. La post-luminiscencia óptica se puede usar para medir las distancias de los eventos. Las distancias medidas muestran que los GRB generalmente ocurren en galaxias muy alejadas de la Vía Láctea.

Los GRB ocurren en momentos y lugares impredecibles en el cielo. Sólo los instrumentos dedicados que monitorean todo el cielo pueden detectarlos de manera eficiente y distribuir rápidamente las alertas correspondientes. Los telescopios con un campo de visión relativamente limitado, como MAGIC, pueden observar los GRB con mayor eficacia cuando otros instrumentos proporcionan sus coordenadas.

GRB 190114C y la luz de fondo extragaláctica

Gracias a las observaciones ópticas, se determinó que GRB 190114C ocurrió en una galaxia a unos 4.500 millones de años luz de la Tierra. A tales distancias, la detección de rayos gamma TeV es muy difícil, porque la mayoría de los fotones se absorben mientras viajan desde su origen hasta la Tierra. Esto se debe a la presencia de un fondo de fotones de baja energía, llamado luz de fondo extragaláctica (EBL, de sus siglas en inglés). El EBL está formado por toda la luz producida por las galaxias a lo largo de la historia del universo en las bandas infrarroja, óptica y ultravioleta. Los rayos gamma de TeV pueden interactuar con los fotones del EBL para producir pares electrón-positrón, por lo que se absorben mientras se propagan hacia la Tierra. Cuanto más lejos esté la fuente de los rayos gamma TeV, más probable es que se produzca una reducción del flujo de fotones. Algunos aspectos del EBL aún no se entienden completamente, por lo que la detección del GRB 190114C por MAGIC puede proporcionar nuevas pistas sobre el EBL.

Los telescopios MAGIC

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) es un sistema de dos telescopios de 17 metros de diámetro ubicados a 2200 metros sobre el nivel del mar en el Observatorio El Roque de los Muchachos (ORM), en la isla canaria de La Palma, España. Los telescopios están diseñados para detectar rayos gamma de muy alta energía en el rango de energía de 30 GeV a más de 50 TeV, utilizando la técnica de imágenes Cherenkov atmosféricas. Los telescopios MAGIC están a cargo de una colaboración internacional de alrededor de 280 personas de 12 países, incluidos científicos, ingenieros, técnicos y otro personal.

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