Superant els límits: Descobriment de fotons de molt alta energia provinents d'un brot de raigs gamma

Els brots de raigs gamma (GRB, "gamma ray bursts" en anglès) són les explosions més violentes en tot l'univers i apareixen sobtadament en el cel, aproximadament un cop al dia. Es creu que són el resultat del col·lapse d'estrelles massives o de la fusió d'estrelles de neutrons en galàxies distants. Comencen amb una espurna inicial molt brillant, anomenat emissió ràpida, amb una durada que varia des d'una fracció de segon fins a centenars de segons. Aquesta emissió immediata s'acompanya d'una post luminiscència, una emissió més feble però més duradora en un ampli rang de longituds d'ona. El primer GRB detectat pels telescopis MAGIC, conegut com a GRB 190114C, revela els fotons de major energia detectats fins ara provinents d'aquests objectes.

 

Aquesta observació sense precedents aporta nous indicis per comprendre els processos físics que succeeixen en els GRB, els quals encara són un misteri. Els fotons detectats per MAGIC van originar-se a partir d'un procés fins ara no observat en la post luminiscència de GRB, clarament diferent del procés físic responsable de la seva emissió a energies més baixes.

Aquests resultats es publiquen en dos articles a la revista Nature el 21 de novembre de 2019 (DOI: 10.1038 / s41586-019-1750-xi 10.1038 / s41586-019-1754-6)

(Consulteu la Informació Suplementària per obtenir més informació sobre GRB, post luminiscència, processos d'emissió i els telescopis MAGIC)

Detecció de MAGIC i observacions en múltiples longituds d'ona
El 14 de gener de 2019, dos satèl·lits espacials van descobrir independentment 1 GRB: el Neil Gehrels Swift Observatory i el Fermi Gamma-ray Space Telescope. El brot es va anomenar GRB 190114C, i en 22 segons, les seves coordenades en el cel es van distribuir en forma d'alerta electrònica als astrònoms de tot el món, inclosa la Col·laboració MAGIC, que opera dos telescopis Cherenkov de 17 metres de diàmetre ubicats en la Palma, Espanya. Atès que els GRB apareixen en llocs impredictibles al cel i després s'esvaeixen ràpidament, la seva observació per telescopis com MAGIC requereix una estratègia de seguiment dedicada. Un sistema automàtic processa en temps real les alertes de GRB que envien els satèl·lits i fa que els telescopis MAGIC apuntin ràpidament a la posició del cel on s'ha produït el GRB. Maria Victòria Fonseca, presidenta de la Junta de la Col·laboració MAGIC destaca: "Els telescopis van ser dissenyats per ser molt lleugers i poder-se moure ràpidament. Tot i pesar 64 tones cadascun, poden girar 180 graus en només 25 segons. Gràcies a això, MAGIC va començar a observar GRB 190114C només 50 segons després del seu començament".

L'anàlisi de les dades recollides durant les primeres desenes de segons revela l'emissió de fotons en la post-luminiscència que arriben energies de teraelectronvolts (TeV), un bilió de vegades més energètics que la llum visible. Durant aquest temps, l'emissió de fotons de TeV de l'GRB 190114C va ser 100 vegades més intensa que la font estable més brillant coneguda en aquestes energies, la Nebulosa d'el Cranc. Així, el GRB 190114C va passar a ostentar el rècord de ser la font més brillant coneguda de fotons de TeV. Com s'esperava per a la post luminiscència dels GRB, l'emissió es va esvair ràpidament amb el temps, igual que la post luminiscència ja observada a energies més baixes. Els últims centelleigs van ser vistos per MAGIC mitja hora després.

La Col·laboració MAGIC va anunciar la detecció inequívoca de fotons de TeV d'un GRB a la comunitat internacional d'astrònoms només unes hores després de les alertes enviades pels satèl·lits, després d'una acurada verificació de les dades preliminars. Això va facilitar una extensa campanya d'observacions en múltiples longituds d'ona de l'GRB 190114C, amb la contribució de més de dues dotzenes d'observatoris i instruments, proporcionant una cobertura completa d'aquest GRB des de la banda de ràdio fins a les energies TeV. En particular, les observacions òptiques van permetre mesurar la distància que han viatjat els fotons des que es van generar en el GRB 190114C, aproximadament 4,5 milions d'anys llum.

Els fotons de major energia posen en evidència un procés d'emissió addicional

Encara que l'emissió de TeV en la post luminiscència dels GRB s'havia predit en alguns estudis teòrics, mai abans s'havia confirmat experimentalment, tot i nombrosos esforços en les últimes dècades amb diversos instruments, inclòs MAGIC. Quin mecanisme físic està darrere de la producció dels fotons de TeV finalment detectats per MAGIC? Les energies són molt més altes del que es pot esperar de la radiació sincrotró, causada pels electrons d'alta energia en moviment dins de camps magnètics. Aquest procés es considera responsable de l'emissió que s'havia observat anteriorment a energies més baixes en la post-luminiscència dels GRB. "La nit que vam detectar el GRB 190114C, estava a la sala de control dels telescopis MAGIC. Des del primer moment, ens vam adonar que els fotons que anàvem veient passaven el límit de la radiació de sincrotró. Aquests nous resultats, juntament amb les nombroses dades en múltiples longituds d'ona, proporcionen la primera evidencia inequívoca d'un procés d'emissió addicional i diferent de la post luminiscència. " explica Elena Moretti, astrofísica de la comunitat espanyola i una de les autores principals dels resultats. L'anàlisi de les dades indica que el candidat preferit és l'anomenat procés invers de Compton, on els electrons d'alta energia transfereixen energia en col·lidir amb la població de fotons existents, fent-los més energètics.

"Després de més de 50 anys des que es van descobrir els GRB, molts dels seus aspectes fonamentals segueixen sent un misteri", comenta Razmik Mirzoyan, el portaveu de la Col·laboració MAGIC. "El descobriment de l'emissió de raigs gamma en el GRB 190114C a la banda TeV de l'espectre electromagnètic mostra que els GRB són encara més potents del que es pensava. La riquesa de les dades de l'GRB 190114C adquirits per MAGIC i les extenses observacions de seguiment en múltiples longituds d'ona, ofereixen pistes importants per desentranyar alguns dels misteris relacionats amb els processos físics que succeeixen en els GRB ".

Un estudi comparatiu de totes les observacions anteriors de GRB per MAGIC suggereix que el GRB 190114C no va ser un esdeveniment particularment únic, excepte per la seva relativa proximitat (a uns 4,5 milions d'anys llum de la Terra), i que la detecció reeixida es deu a l'excel·lent rendiment de l'instrument. Amb la detecció de l'GRB 190114C, MAGIC obre una nova finestra per estudiar els GRB. Tot indica que es poden detectar molts més GRB en les energies de l'TeV i facilitar el camí per a una comprensió molt més profunda d'aquestes fascinants explosions còsmiques.

La comunitat espanyola participa en MAGIC des dels seus inicis. Actualment són membres de MAGIC el Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT), l'Institut d'Astrofísica de Canàries (IAC), l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat de Barcelona (UB) i la Universitat Complutense de Madrid (UCM). L'IEEC participa en aquest projecte a través d'investigadors de les unitats ICCUB i CERES-UAB A més, el centre de dades de MAGIC és el Port d'Informació Científica (PIC), una col·laboració de l'IFAE i el CIEMAT.

Contactes científics:

Per obtenir més informació sobre MAGIC, l'observació de l'GRB i els resultats relacionats, es proporcionen els següents contactes:

Razmik Mirzoyan, portaveu de la Col·laboració MAGIC
astrofísic
Max-Planck-Institute for Physics, Munic, Alemanya
Aquesta adreça electrònica s'està protegint contra robots de correu brossa. Necessites JavaScript habilitat per veure-la.

Maria Victòria Fonseca, presidenta de la Junta de l'Col·laboració MAGIC
Astrofísica
Universitat Complutense de Madrid, Madrid, Espanya
Aquesta adreça electrònica s'està protegint contra robots de correu brossa. Necessites JavaScript habilitat per veure-la.

Elena Moretti, coordinadora de fonts transitòries de la Col·laboració MAGIC
Astrofísica
Institut de Física d'Altes Energies, Bellaterra, Espanya
Aquesta adreça electrònica s'està protegint contra robots de correu brossa. Necessites JavaScript habilitat per veure-la.

Material Gràfic i Crèdits:

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

 

INFORMACIÓ SUPLEMENTÀRIA

Què són els brots de raigs gamma?

Els brots de raigs gamma (GRB, sigles en anglès) són explosions breus i extremadament potents que succeeixen al nostre Univers. En uns segons, alliberen una energia que és comparable a l'energia emesa pel nostre Sol durant tota la seva vida. Es creu que són el resultat del col·lapse d'estrelles massives a la fi de les seves vides, o la fusió de sistemes binaris d'objectes compactes com estrelles de neutrons. Tals sistemes poden crear dolls de plasma col·limats que s'expulsen a velocitats properes a la de la llum.

Els GRB comencen amb una emissió ràpida, una espurna inicial de radiació molt brillant, principalment en raigs X i raigs gamma de megaelectronvolts (un milió de vegades més energètic que la llum visible). La durada de la fase d'emissió ràpida pot variar entre una fracció de segon i algun centenar de segons, i exhibeix una variabilitat irregular en escales de temps de mil·lisegons. Es creu que aquesta emissió prové d'alguna regió dins dels dolls, però el mecanisme físic subjacent encara no s'entén bé.

L'emissió ràpida és seguida per la post luminiscència, una emissió menys brillant que s'esvaeix durant un període de temps més prolongat. Es creu que les ones de xoc causades per la interacció dels raigs amb el gas ambiental són l'origen de la post luminiscència. Se sol detectar en un ampli rang d'energies, des de les bandes de ràdio, infraroja, òptica i ultraviolada, així com en raigs X i raigs gamma de gigaelectrovolts (mil milions de vegades més energètic que la llum visible). Es creu que la major part és emissió de sincrotró, causada per electrons d'alta energia que s'acceleren en les ones de xoc i giren en espiral al voltant dels camps magnètics ambientals. La post-luminiscència òptica es pot usar per mesurar les distàncies dels esdeveniments. Les distàncies mesurades mostren que els GRB generalment ocorren en galàxies molt allunyades de la Via Làctia.

Els GRB ocorren en moments i llocs impredictibles en el cel. Només els instruments dedicats que monitoritzen tot el cel poden detectar-se de manera eficient i distribuir ràpidament les alertes corresponents. Els telescopis amb un camp de visió relativament limitat, com MAGIC, poden observar els GRB amb més eficàcia quan altres instruments proporcionen les coordenades.

GRB 190114C i la llum de fons extragalàctica

Gràcies a les observacions òptiques, es va determinar que GRB 190114C va passar en una galàxia a uns 4.500 milions d'anys llum de la Terra. A tals distàncies, la detecció de raigs gamma TeV és molt difícil, perquè la majoria dels fotons s'absorbeixen mentre viatgen des del seu origen fins a la Terra. Això es deu a la presència d'un fons de fotons de baixa energia, anomenat llum de fons extragalàctica (EBL, de les seves sigles en anglès). El EBL està format per tota la llum produïda per les galàxies al llarg de la història de l'univers a les bandes infraroja, òptica i ultraviolada. Els raigs gamma de TeV poden interactuar amb els fotons de l'EBL per produir parells electró-positró, per la qual cosa absorbeixen mentre es propaguen cap a la Terra. Com més lluny estigui la font dels raigs gamma TeV, més probable és que es produeixi una reducció del flux de fotons. Alguns aspectes de l'EBL encara no s'entenen completament, de manera que la detecció de l'GRB 190114C per MAGIC pot proporcionar noves pistes sobre l'EBL.

Els telescopis MAGIC

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) és un sistema de dos telescopis de 17 metres de diàmetre ubicats a 2200 metres sobre el nivell de la mar a l'Observatori El Roque dels Nois (ORM), a l'illa canària de La Palma, Espanya. Els telescopis estan dissenyats per detectar raigs gamma de molt alta energia en el rang d'energia de 30 GeV a més de 50 TeV, utilitzant la tècnica d'imatges Cherenkov atmosfèriques. Els telescopis MAGIC estan a càrrec d'una col·laboració internacional d'unes 280 persones de 12 països, inclosos científics, enginyers, tècnics i altre personal.

 

Enllaç als articles

"Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C", https://doi.org/10.1038/s41586-019-1750-x

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1750-x

"Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst", https://doi.org/10.1038/s41586-019-1754-6

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1754-6

 

Utilitzem cookies pròpies i de tercers per a millorar els nostres serveis mitjançant l’anàlisi dels seus hàbits de navegació. Si continua navegant, considerem que n’accepta el seu ús. Pot canviar la configuració o obtenir més informació a la nostra "política de Cookies".

Accepto les cookies d'aquest lloc.