Explosión de rayos gamma
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Para ráfagas de rayos gamma de origen terrestre, consulte Destello de rayos gamma terrestres .
Ilustración del artista que muestra la vida de una estrella masiva mientras la fusión nuclear convierte elementos más ligeros en más pesados. Cuando la fusión ya no genera suficiente presión para contrarrestar la gravedad, la estrella colapsa rápidamente para formar un agujero negro . En teoría, se puede liberar energía durante el colapso a lo largo del eje de rotación para formar una explosión de rayos gamma.

En la astronomía de rayos gamma , los estallidos de rayos gamma ( GRB ) son explosiones inmensamente energéticas que se han observado en galaxias distantes . Son los eventos electromagnéticos más brillantes y energéticos que se sabe que ocurren en el universo . [1] Las ráfagas pueden durar desde diez milisegundos hasta varias horas. [2] [3] [4] Después de un destello inicial de rayos gamma , generalmente se emite un "resplandor" de mayor duración en longitudes de onda más largas ( rayos X , ultravioleta , ópticos , infrarrojos , microondas yradio ). [5]

Se cree que la intensa radiación de la mayoría de los GRB observados se libera durante una supernova o supernova superluminosa cuando una estrella de gran masa implosiona para formar una estrella de neutrones o un agujero negro .

Una subclase de GRB (las ráfagas "cortas") parece originarse a partir de la fusión de estrellas de neutrones binarias . La causa del estallido precursor observado en algunos de estos eventos cortos puede ser el desarrollo de una resonancia entre la corteza y el núcleo de tales estrellas como resultado de las fuerzas de marea masivas experimentadas en los segundos previos a su colisión, causando toda la corteza. de la estrella para romperse. [6]

Las fuentes de la mayoría de los GRB se encuentran a miles de millones de años luz de la Tierra , lo que implica que las explosiones son extremadamente energéticas (una ráfaga típica libera tanta energía en unos pocos segundos como lo hará el Sol en toda su vida de 10 mil millones de años) [7 ] y extremadamente raras (unas pocas por galaxia por millón de años [8] ). Todos los GRB observados se han originado fuera de la Vía Láctea , aunque una clase de fenómenos relacionados, las bengalas repetidoras de rayos gamma suaves , están asociadas con magnetares dentro de la Vía Láctea. Se ha planteado la hipótesis de que un estallido de rayos gamma en la Vía Láctea , apuntando directamente hacia la Tierra, podría causar unaevento de extinción masiva . [9]

Los GRB fueron detectados por primera vez en 1967 por los satélites Vela , que habían sido diseñados para detectar pruebas encubiertas de armas nucleares ; esto fue desclasificado y publicado en 1973. [10] Tras su descubrimiento, se propusieron cientos de modelos teóricos para explicar estos estallidos, como las colisiones entre cometas y estrellas de neutrones . [11] Se disponía de poca información para verificar estos modelos hasta la detección en 1997 de los primeros rayos X y resplandores ópticos y la medición directa de sus corrimientos al rojo mediante espectroscopía óptica y, por lo tanto, sus distancias y salidas de energía. Estos descubrimientos y los estudios posteriores de las galaxias ysupernovas asociadas con los estallidos, aclararon la distancia y luminosidad de los GRB, ubicándolos definitivamente en galaxias distantes.

Historia

Artículo principal: Historia de la investigación de estallidos de rayos gamma
Posiciones en el cielo de todas las explosiones de rayos gamma detectadas durante la misión BATSE. La distribución es isotrópica , sin concentración hacia el plano de la Vía Láctea, que discurre horizontalmente por el centro de la imagen.

Los estallidos de rayos gamma fueron observados por primera vez a fines de la década de 1960 por los satélites Vela de Estados Unidos , que fueron construidos para detectar pulsos de radiación gamma emitidos por armas nucleares probadas en el espacio. El Estados Unidos sospechaba que la Unión Soviética podría intentar llevar a cabo pruebas nucleares secretas tras la firma del Tratado de prohibición de pruebas nucleares en 1963. [12] El 2 de julio de 1967, a las 14:19 GMT , el 4 Vela y Vela 3 satélites detectaron un destello de radiación gamma a diferencia de cualquier firma de armas nucleares conocida. [13] Sin saber qué había sucedido pero sin considerar el asunto particularmente urgente, el equipo del Laboratorio Nacional de Los Alamos , dirigido por Ray Klebesadel, archivó los datos para su investigación. A medida que se lanzaron satélites Vela adicionales con mejores instrumentos, el equipo de Los Alamos continuó encontrando explosiones inexplicables de rayos gamma en sus datos. Al analizar los diferentes tiempos de llegada de las ráfagas detectadas por diferentes satélites, el equipo pudo determinar estimaciones aproximadas para las posiciones del cielo de dieciséis ráfagas [13] y descartar definitivamente un origen terrestre o solar. El descubrimiento fue desclasificado y publicado en 1973. [10]

La mayoría de las primeras teorías sobre estallidos de rayos gamma postulaban fuentes cercanas dentro de la Vía Láctea . Desde 1991, el Observatorio de rayos gamma de Compton (CGRO) y su instrumento Explorador de fuentes transitorias y de ráfagas ( BATSE ), un detector de rayos gamma extremadamente sensible, proporcionaron datos que mostraron que la distribución de GRB es isotrópica  , no sesgada hacia ninguna dirección particular en el espacio. . [14] Si las fuentes fueran del interior de nuestra propia galaxia, estarían fuertemente concentradas en el plano galáctico o cerca de él. La ausencia de dicho patrón en el caso de los GRB proporcionó una fuerte evidencia de que los estallidos de rayos gamma deben provenir de más allá de la Vía Láctea. [15] [16] [17] [18]Sin embargo, algunos modelos de la Vía Láctea todavía son consistentes con una distribución isotrópica. [15] [19]

En octubre de 2018, los astrónomos informaron que GRB 150101B y GW170817 , un evento de onda gravitacional detectado en 2017, puede haber sido producido por el mismo mecanismo: la fusión de dos estrellas de neutrones . Las similitudes entre los dos eventos, en términos de emisiones de rayos gamma , ópticos y de rayos X , así como en la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas , son "sorprendentes", lo que sugiere que los dos eventos separados pueden ser el resultado de la fusión. de estrellas de neutrones, y ambas pueden ser una kilonova , que puede ser más común en el universo de lo que se pensaba anteriormente, según los investigadores. [20] [21][22] [23]

En noviembre de 2019, los astrónomos informaron de una notable explosión de rayos gamma, denominada GRB 190114C , detectada inicialmente en enero de 2019, que, hasta ahora, produjo rayos gamma con la energía más alta, alrededor de 1 Tera electronvoltio (Tev) , jamás observada para tales un evento cósmico. [24] [25]

Objetos de contraparte como fuentes candidatas

Durante décadas después del descubrimiento de los GRB, los astrónomos buscaron una contraparte en otras longitudes de onda: es decir, cualquier objeto astronómico en coincidencia posicional con un estallido observado recientemente. Los astrónomos consideraron muchas clases distintas de objetos, incluidas enanas blancas , púlsares , supernovas , cúmulos globulares , cuásares , galaxias Seyfert y objetos BL Lac . [26] Todas estas búsquedas no tuvieron éxito, [nb 1]y en unos pocos casos se pudo demostrar claramente que las ráfagas particularmente bien localizadas (aquellas cuyas posiciones se determinaron con lo que entonces era un alto grado de precisión) no tenían objetos brillantes de ninguna naturaleza consistente con la posición derivada de los satélites de detección. Esto sugirió el origen de estrellas muy débiles o de galaxias extremadamente distantes. [27] [28] Incluso las posiciones más precisas contenían numerosas estrellas y galaxias débiles, y se estuvo de acuerdo en que la resolución final de los orígenes de los estallidos de rayos gamma cósmicos requeriría tanto nuevos satélites como una comunicación más rápida. [29]

Resplandor crepuscular

El satélite italiano-holandés BeppoSAX , lanzado en abril de 1996, proporcionó las primeras posiciones precisas de las explosiones de rayos gamma, lo que permitió realizar observaciones de seguimiento e identificar las fuentes.

Varios modelos para el origen de los estallidos de rayos gamma postularon que el estallido inicial de rayos gamma debería ir seguido de una emisión que se desvanece lentamente a longitudes de onda más largas creadas por colisiones entre las eyecciones de estallido y el gas interestelar. [30] Esta emisión que se desvanece se llamaría "resplandor crepuscular". Las primeras búsquedas de este resplandor no tuvieron éxito, en gran parte porque es difícil observar la posición de una ráfaga en longitudes de onda más largas inmediatamente después de la ráfaga inicial. El avance se produjo en febrero de 1997 cuando el satélite BeppoSAX detectó un estallido de rayos gamma ( GRB 970228 [nb 2] y cuando la cámara de rayos X apuntó hacia la dirección en la que se había originado el estallido, detectó una emisión de rayos X que se desvanecía. losEl telescopio William Herschel identificó una contraparte óptica que se desvanecía 20 horas después de la explosión. [31] Una vez que el GRB se desvaneció, las imágenes profundas pudieron identificar una galaxia anfitriona distante y débil en la ubicación del GRB según lo señalado por el resplandor óptico. [32] [33]

Debido a la muy débil luminosidad de esta galaxia, no se midió su distancia exacta durante varios años. Mucho después de eso, se produjo otro gran avance con el siguiente evento registrado por BeppoSAX, GRB 970508 . Este evento se localizó dentro de las cuatro horas posteriores a su descubrimiento, lo que permitió a los equipos de investigación comenzar a realizar observaciones mucho antes que cualquier ráfaga anterior. El espectro del objeto reveló un corrimiento al rojo de z  = 0,835, colocando el estallido a una distancia de aproximadamente 6 mil millones de  años luz de la Tierra. [34]Esta fue la primera determinación precisa de la distancia a un GRB, y junto con el descubrimiento de la galaxia anfitriona de 970228 demostró que los GRB ocurren en galaxias extremadamente distantes. [32] [35] En unos pocos meses, la controversia sobre la escala de distancias terminó: los GRB eran eventos extragalácticos que se originaban dentro de galaxias débiles a distancias enormes. Al año siguiente, GRB 980425 fue seguido en un día por una supernova brillante ( SN 1998bw ), que coincidió en su ubicación, lo que indica una conexión clara entre los GRB y la muerte de estrellas muy masivas. Esta explosión proporcionó la primera pista sólida sobre la naturaleza de los sistemas que producen GRB. [36]

La nave espacial Swift de la NASA fue lanzada en noviembre de 2004

BeppoSAX funcionó hasta 2002 y CGRO (con BATSE) se desorbitó en 2000. Sin embargo, la revolución en el estudio de las explosiones de rayos gamma motivó el desarrollo de una serie de instrumentos adicionales diseñados específicamente para explorar la naturaleza de los GRB, especialmente en los primeros momentos. después de la explosión. La primera misión de este tipo, HETE-2 , [37] se lanzó en 2000 y funcionó hasta 2006, proporcionando la mayoría de los principales descubrimientos durante este período. Una de las misiones espaciales más exitosas hasta la fecha, Swift , se lanzó en 2004 y en 2018 todavía está operativa. [38] [39]Swift está equipado con un detector de rayos gamma muy sensible, así como con telescopios ópticos y de rayos X integrados, que pueden girarse rápida y automáticamente para observar la emisión de resplandor posterior a una ráfaga. Más recientemente, se lanzó la misión Fermi con el monitor de ráfagas de rayos gamma , que detecta ráfagas a una velocidad de varios cientos por año, algunas de las cuales son lo suficientemente brillantes como para ser observadas a energías extremadamente altas con el telescopio de área grande de Fermi . Mientras tanto, en tierra, se han construido o modificado numerosos telescopios ópticos para incorporar software de control robótico que responde inmediatamente a las señales enviadas a través de la red de coordenadas de explosión de rayos gamma.. Esto permite que los telescopios vuelvan a apuntar rápidamente hacia un GRB, a menudo en cuestión de segundos después de recibir la señal y mientras la emisión de rayos gamma todavía está en curso. [40] [41]

Los nuevos desarrollos desde la década de 2000 incluyen el reconocimiento de estallidos cortos de rayos gamma como una clase separada (probablemente de estrellas de neutrones fusionadas y no asociadas con supernovas), el descubrimiento de una actividad de llamarada errática y extendida en longitudes de onda de rayos X que duran muchos minutos después de la mayoría. GRB, y el descubrimiento de los objetos más luminosos ( GRB 080319B ) y los más distantes ( GRB 090423 ) del universo. [42] [43] El GRB conocido más distante, GRB 090429B , es ahora el objeto conocido más distante del universo.

Clasificación

Curvas de luz de explosión de rayos gamma

Las curvas de luz de los estallidos de rayos gamma son extremadamente diversas y complejas. [44] No hay dos curvas de luz de ráfagas de rayos gamma idénticas, [45] con una gran variación observada en casi todas las propiedades: la duración de la emisión observable puede variar de milisegundos a decenas de minutos, puede haber un solo pico o varios subpulsos individuales , y los picos individuales pueden ser simétricos o con brillo rápido y desvanecimiento muy lento. Algunas ráfagas están precedidas por un evento " precursor ", una ráfaga débil que luego es seguida (después de segundos o minutos sin ninguna emisión) por el episodio de explosión "verdadero" mucho más intenso. [46]Las curvas de luz de algunos eventos tienen perfiles extremadamente caóticos y complicados con casi ningún patrón discernible. [29]

Aunque algunas curvas de luz pueden reproducirse de forma aproximada utilizando ciertos modelos simplificados, [47] se ha avanzado poco en la comprensión de la diversidad total observada. Se han propuesto muchos esquemas de clasificación, pero estos a menudo se basan únicamente en las diferencias en la apariencia de las curvas de luz y no siempre reflejan una verdadera diferencia física en los progenitores de las explosiones. Sin embargo, los gráficos de la distribución de la duración observada [nb 3] para un gran número de explosiones de rayos gamma muestran una clara bimodalidad , lo que sugiere la existencia de dos poblaciones separadas: una población "corta" con una duración media de aproximadamente 0,3 segundos y una población "larga" con una duración media de unos 30 segundos. [48]Ambas distribuciones son muy amplias con una región de superposición significativa en la que la identidad de un evento dado no está clara solo por la duración. Se han propuesto clases adicionales más allá de este sistema de dos niveles tanto por motivos de observación como teóricos. [49] [50] [51] [52]

Ráfagas cortas de rayos gamma

El telescopio espacial Hubble captura el brillo infrarrojo de una explosión de kilonova . [53]

Los eventos con una duración de menos de aproximadamente dos segundos se clasifican como ráfagas cortas de rayos gamma. Estos representan aproximadamente el 30% de los estallidos de rayos gamma, pero hasta 2005, no se había detectado con éxito ningún resplandor de ningún evento corto y se sabía poco sobre sus orígenes. [54] Desde entonces, se han detectado y localizado varias docenas de resplandores de rayos gamma cortos, varios de los cuales están asociados con regiones de poca o ninguna formación estelar, como grandes galaxias elípticas y las regiones centrales de grandes cúmulos de galaxias . [55] [56] [57] [58]Esto descarta un vínculo con estrellas masivas, lo que confirma que los eventos cortos son físicamente distintos de los eventos largos. Además, no ha habido asociación con supernovas. [59]

La verdadera naturaleza de estos objetos era inicialmente desconocida, y la hipótesis principal era que se originaron a partir de la fusión de estrellas de neutrones binarias [60] o una estrella de neutrones con un agujero negro . Se teorizó que tales fusiones produjeran kilonovas , [61] y se observó evidencia de una kilonova asociada con GRB 130603B. [62] [63] [64] La duración media de estos eventos de 0,2 segundos sugiere (debido a la causalidad) una fuente de muy pequeño diámetro físico en términos estelares; menos de 0,2 segundos luz (unos 60.000 km o 37.000 millas, cuatro veces el diámetro de la Tierra). La observación de minutos a horas de destellos de rayos X después de un breve estallido de rayos gamma es consistente con pequeñas partículas de un objeto primario como una estrella de neutrones inicialmente tragada por un agujero negro en menos de dos segundos, seguidas de algunas horas de menor energía. eventos, ya que los fragmentos restantes de material de estrella de neutrones interrumpido por las mareas (que ya no es neutronio ) permanecen en órbita para girar en espiral hacia el agujero negro, durante un período de tiempo más largo. [54] Una pequeña fracción de estallidos cortos de rayos gamma son probablemente producidos por destellos gigantes de repetidores gamma suaves en galaxias cercanas. [65] [66]

El origen de GRB cortos en kilonovas se confirmó cuando se detectó GRB 170817A corto solo 1,7 s después de la detección de la onda gravitacional GW170817 , que era una señal de la fusión de dos estrellas de neutrones. [67] [60]

Ráfagas largas de rayos gamma

La mayoría de los eventos observados (70%) tienen una duración de más de dos segundos y se clasifican como ráfagas largas de rayos gamma. Debido a que estos eventos constituyen la mayoría de la población y debido a que tienden a tener los resplandores más brillantes, se han observado con mucho mayor detalle que sus contrapartes breves. Casi todos los estallidos largos de rayos gamma bien estudiados se han relacionado con una galaxia con rápida formación de estrellas y, en muchos casos, también con una supernova de colapso del núcleo , asociando inequívocamente GRB largos con la muerte de estrellas masivas. [68] Las observaciones prolongadas de resplandor crepuscular de GRB, a alto corrimiento al rojo, también son consistentes con que el GRB se haya originado en regiones de formación de estrellas. [69]

Ráfagas de rayos gamma ultralargas

Estos eventos se encuentran al final de la distribución de larga duración de GRB, con una duración de más de 10,000 segundos. Se ha propuesto que formen una clase separada, causada por el colapso de una estrella supergigante azul , [70] un evento de interrupción de las mareas [71] [72] o una magnetar recién nacida . [71] [73] Hasta la fecha sólo se ha identificado un pequeño número, siendo su característica principal la duración de la emisión de rayos gamma. Los eventos ultralargos más estudiados incluyen GRB 101225A y GRB 111209A . [72] [74] [75]La baja tasa de detección puede ser el resultado de la baja sensibilidad de los detectores de corriente a eventos de larga duración, más que un reflejo de su frecuencia real. [72] Un estudio de 2013, [76] por otro lado, muestra que la evidencia existente para una población de GRB ultralarga separada con un nuevo tipo de progenitor no es concluyente, y se necesitan más observaciones de longitudes de onda múltiples para llegar a una conclusión más firme. .

Energética y radiante

Ilustración artística de un estallido de rayos gamma brillante que se produce en una región de formación de estrellas. La energía de la explosión se transmite a dos chorros estrechos y opuestos.

Los estallidos de rayos gamma son muy brillantes como se observan desde la Tierra a pesar de sus distancias típicamente inmensas. Un GRB largo promedio tiene un flujo bolométrico comparable al de una estrella brillante de nuestra galaxia a pesar de una distancia de miles de millones de años luz (en comparación con unas pocas decenas de años luz para la mayoría de las estrellas visibles). La mayor parte de esta energía se libera en rayos gamma, aunque algunos GRB también tienen contrapartes ópticas extremadamente luminosas. GRB 080319B , por ejemplo, iba acompañado de una contraparte óptica que alcanzó un pico de magnitud visible de 5,8, [77]comparable a la de las estrellas más tenues a simple vista a pesar de la distancia del estallido de 7.500 millones de años luz. Esta combinación de brillo y distancia implica una fuente extremadamente energética. Suponiendo que la explosión de rayos gamma sea esférica, la producción de energía de GRB 080319B estaría dentro de un factor de dos de la energía de masa en reposo del Sol (la energía que se liberaría si el Sol se convirtiera por completo en radiación). [42]

Se cree que los estallidos de rayos gamma son explosiones altamente enfocadas, con la mayor parte de la energía de la explosión colimada en un chorro estrecho . [78] [79] El ancho angular aproximado del chorro (es decir, el grado de propagación del rayo) se puede estimar directamente observando las "roturas de chorro" acromáticas en las curvas de luz del resplandor crepuscular: un tiempo después del cual el resplandor crepuscular decae lentamente comienza a desvanecerse rápidamente a medida que el chorro se desacelera y ya no puede emitir su radiación con tanta eficacia. [80] [81] Las observaciones sugieren una variación significativa en el ángulo del chorro de entre 2 y 20 grados. [82]

Debido a que su energía está fuertemente enfocada, se espera que los rayos gamma emitidos por la mayoría de las explosiones no alcancen la Tierra y nunca sean detectados. Cuando un estallido de rayos gamma apunta hacia la Tierra, el enfoque de su energía a lo largo de un haz relativamente estrecho hace que el estallido parezca mucho más brillante de lo que hubiera sido si su energía se emitiera de forma esférica. Cuando se tiene en cuenta este efecto, se observa que los estallidos típicos de rayos gamma tienen una liberación de energía real de aproximadamente 10 44  J, o aproximadamente 1/2000 de una masa solar ( M ☉ ) equivalente en energía [82]  , que sigue siendo mucho veces el equivalente de masa-energía de la Tierra (aproximadamente 5,5 × 10 41  J). Esto es comparable a la energía liberada en un tipo brillante Ib / c. supernova y dentro de la gama de modelos teóricos. Se han observado supernovas muy brillantes que acompañan a varios de los GRB más cercanos. [36] El apoyo adicional para enfocar la salida de GRB proviene de observaciones de fuertes asimetrías en los espectros de supernovas de tipo Ic cercanas [83] y de observaciones de radio tomadas mucho después de las ráfagas cuando sus chorros ya no son relativistas. [84]

Los GRB de corta duración (tiempo) parecen provenir de una población con menor desplazamiento al rojo (es decir, menos distante) y son menos luminosos que los GRB largos. [85] El grado de emisión en ráfagas cortas no se ha medido con precisión, pero como población es probable que estén menos colimados que los GRB largos [86] o posiblemente no colimados en absoluto en algunos casos. [87]

Progenitores

Artículo principal: Progenitores de estallidos de rayos gamma
Imagen del telescopio espacial Hubble de la estrella WR 124 de Wolf-Rayet y su nebulosa circundante. Las estrellas Wolf-Rayet son candidatas a ser progenitoras de GRB de larga duración.

Debido a las inmensas distancias de la mayoría de las fuentes de estallidos de rayos gamma desde la Tierra, la identificación de los progenitores, los sistemas que producen estas explosiones, es un desafío. La asociación de algunos GRB largos con supernovas y el hecho de que sus galaxias anfitrionas se están formando rápidamente ofrece una evidencia muy fuerte de que los estallidos largos de rayos gamma están asociados con estrellas masivas. El mecanismo más ampliamente aceptado para el origen de los GRB de larga duración es el modelo collapsar , [88] en el que el núcleo de una estrella extremadamente masiva, de baja metalicidad y que gira rápidamente se colapsa en un agujero negro en las etapas finales de su evolución . La materia cercana al núcleo de la estrella llueve hacia el centro y se arremolina en una alta densidad.disco de acreción . La caída de este material en un agujero negro impulsa un par de chorros relativistas a lo largo del eje de rotación, que golpean a través de la envoltura estelar y finalmente rompen la superficie estelar e irradian como rayos gamma. Algunos modelos alternativos reemplazan el agujero negro con una magnetar recién formada , [89] [90] aunque la mayoría de los otros aspectos del modelo (el colapso del núcleo de una estrella masiva y la formación de chorros relativistas) son los mismos.

Los análogos más cercanos dentro de la galaxia de la Vía Láctea de las estrellas que producen largos estallidos de rayos gamma son probablemente las estrellas Wolf-Rayet , estrellas extremadamente calientes y masivas, que han perdido la mayor parte o la totalidad de su envoltura de hidrógeno. Eta Carinae , Apep y WR 104 se han citado como posibles progenitores futuros de estallidos de rayos gamma. [91] No está claro si alguna estrella de la Vía Láctea tiene las características adecuadas para producir un estallido de rayos gamma. [92]

El modelo de estrella masiva probablemente no explica todos los tipos de explosión de rayos gamma. Existe una fuerte evidencia de que algunos estallidos de rayos gamma de corta duración ocurren en sistemas sin formación estelar y sin estrellas masivas, como las galaxias elípticas y los halos de galaxias . [85] La teoría preferida para el origen de la mayoría de las explosiones cortas de rayos gamma es la fusión de un sistema binario que consta de dos estrellas de neutrones. De acuerdo con este modelo, las dos estrellas en un binario se mueven lentamente una hacia la otra porque la radiación gravitacional libera energía [93] [94] hasta que las fuerzas de mareaDe repente, las estrellas de neutrones se rompen y colapsan en un solo agujero negro. La caída de materia en el nuevo agujero negro produce un disco de acreción y libera una explosión de energía, análoga al modelo colapsar. También se han propuesto muchos otros modelos para explicar los estallidos cortos de rayos gamma, incluida la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, el colapso inducido por acreción de una estrella de neutrones o la evaporación de agujeros negros primordiales . [95] [96] [97] [98]

Una explicación alternativa propuesta por Friedwardt Winterberg es que en el curso de un colapso gravitacional y al alcanzar el horizonte de eventos de un agujero negro, toda la materia se desintegra en un estallido de radiación gamma. [99]

Eventos de interrupción de las mareas

Artículo principal: evento de interrupción de las mareas

Esta nueva clase de eventos similares a GRB se descubrió por primera vez a través de la detección de GRB 110328A por parte de Swift Gamma-Ray Burst Mission el 28 de marzo de 2011. Este evento tuvo una duración de rayos gamma de aproximadamente 2 días, mucho más que incluso los ultra largos GRB, y se detectó en rayos X durante muchos meses. Ocurrió en el centro de una pequeña galaxia elíptica con un corrimiento al rojo z = 0.3534. Existe un debate en curso sobre si la explosión fue el resultado de un colapso estelar o un evento de interrupción de las mareas acompañado por un chorro relativista, aunque esta última explicación se ha visto ampliamente favorecida. [¿ por quién? ]

Un evento de interrupción de las mareas de este tipo es cuando una estrella interactúa con un agujero negro supermasivo , destrozando la estrella y, en algunos casos, creando un chorro relativista que produce una emisión brillante de radiación de rayos gamma. Inicialmente se argumentó que el evento GRB 110328A (también denominado Swift J1644 + 57) fue producido por la interrupción de una estrella de secuencia principal por un agujero negro de varios millones de veces la masa del Sol, [100] [101] [102] aunque Posteriormente se ha argumentado que la ruptura de una enana blanca por un agujero negro de masa aproximadamente 10 mil veces la del Sol puede ser más probable. [103]

Mecanismos de emisión

Artículo principal: Mecanismos de emisión de ráfagas de rayos gamma
Mecanismo de explosión de rayos gamma

Los medios por los cuales los estallidos de rayos gamma convierten la energía en radiación siguen siendo poco conocidos y, en 2010, todavía no existía un modelo generalmente aceptado sobre cómo se produce este proceso. [104] Cualquier modelo exitoso de emisión de GRB debe explicar el proceso físico para generar una emisión de rayos gamma que coincida con la diversidad observada de curvas de luz, espectros y otras características. [105] Particularmente desafiante es la necesidad de explicar las altísimas eficiencias que se infieren de algunas explosiones: algunas explosiones de rayos gamma pueden convertir hasta la mitad (o más) de la energía de la explosión en rayos gamma. [106] Primeras observaciones de las contrapartes ópticas brillantes de GRB 990123 y GRB 080319B, cuyas curvas de luz óptica eran extrapolaciones de los espectros de luz de rayos gamma, [77] [107] han sugerido que Compton inverso puede ser el proceso dominante en algunos eventos. En este modelo, los fotones preexistentes de baja energía son dispersados ​​por electrones relativistas dentro de la explosión, aumentando su energía en un factor grande y transformándolos en rayos gamma. [108]

Se comprende mejor la naturaleza de la emisión de resplandor de longitud de onda más larga (desde rayos X hasta radio ) que sigue a los estallidos de rayos gamma. Cualquier energía liberada por la explosión que no se irradia en el estallido mismo toma la forma de materia o energía que se mueve hacia afuera casi a la velocidad de la luz. Cuando esta materia choca con el gas interestelar circundante , crea una onda de choque relativista que luego se propaga hacia el espacio interestelar. Una segunda onda de choque, el choque inverso, puede propagarse nuevamente a la materia expulsada. Los electrones extremadamente energéticos dentro de la onda de choque son acelerados por fuertes campos magnéticos locales y se irradian como emisión de sincrotrón a través de la mayoría de losespectro electromagnético . [109] [110] En general, este modelo ha tenido éxito en modelar el comportamiento de muchos resplandores observados en épocas tardías (generalmente, horas o días después de la explosión), aunque existen dificultades para explicar todas las características del resplandor posterior muy poco después de la gamma- se ha producido una explosión de rayos. [111]

Tasa de ocurrencia y posibles efectos en la vida.

El 27 de octubre de 2015, a las 22:40 GMT, el satélite Swift de NASA / ASI / UKSA descubrió su estallido número 1000 de rayos gamma (GRB). [112]

Los estallidos de rayos gamma pueden tener efectos dañinos o destructivos en la vida. Considerando el universo en su conjunto, los entornos más seguros para la vida similar al de la Tierra son las regiones de menor densidad en las afueras de las grandes galaxias. Nuestro conocimiento de los tipos de galaxias y su distribución sugiere que la vida tal como la conocemos solo puede existir en aproximadamente el 10% de todas las galaxias. Además, las galaxias con un corrimiento al rojo, z , superior a 0,5 no son adecuadas para la vida tal como la conocemos, debido a su mayor tasa de GRB y su compacidad estelar. [113] [114]

Todos los GRB observados hasta la fecha se han producido fuera de la galaxia Vía Láctea y han sido inofensivos para la Tierra. Sin embargo, si ocurriera un GRB dentro de la Vía Láctea dentro de 5.000 a 8.000 años luz [115] y su emisión fuera transmitida directamente hacia la Tierra, los efectos podrían ser dañinos y potencialmente devastadores para sus ecosistemas . Actualmente, los satélites en órbita detectan en promedio aproximadamente un GRB por día. El GRB observado más cercano en marzo de 2014 fue GRB 980425 , ubicado a 40 megaparsecs (130,000,000 ly) [116] de distancia ( z = 0.0085) en una galaxia enana de tipo SBc. [117] GRB 980425 era mucho menos energético que el GRB promedio y estaba asociado con la supernova Tipo Ib SN 1998bw . [118]

Es difícil estimar la tasa exacta a la que ocurren los GRB; para una galaxia de aproximadamente el mismo tamaño que la Vía Láctea , las estimaciones de la tasa esperada (para GRB de larga duración) pueden variar desde una ráfaga cada 10.000 años hasta una ráfaga cada 1.000.000 de años. [119] Solo un pequeño porcentaje de estos se emitiría hacia la Tierra. Las estimaciones de la tasa de aparición de GRB de corta duración son aún más inciertas debido al grado desconocido de colimación, pero probablemente sean comparables. [120]

Dado que se cree que los GRB implican emisión de rayos a lo largo de dos chorros en direcciones opuestas, solo los planetas en el camino de estos chorros estarían sujetos a la radiación gamma de alta energía. [121]

Aunque los GRB cercanos que golpean la Tierra con una lluvia destructiva de rayos gamma son solo eventos hipotéticos, se ha observado que los procesos de alta energía en toda la galaxia afectan la atmósfera de la Tierra. [122]

Efectos en la Tierra

La atmósfera de la Tierra es muy eficaz para absorber radiación electromagnética de alta energía, como rayos X y rayos gamma, por lo que estos tipos de radiación no alcanzarían niveles peligrosos en la superficie durante el evento de explosión en sí. El efecto inmediato en la vida en la Tierra de un GRB dentro de unos pocos kilo parsecs sería solo un pequeño aumento de la radiación ultravioleta a nivel del suelo, que duraría desde menos de un segundo hasta decenas de segundos. Esta radiación ultravioleta podría alcanzar niveles peligrosos dependiendo de la naturaleza exacta y la distancia del estallido, pero parece poco probable que pueda causar una catástrofe global para la vida en la Tierra. [123] [124]

Los efectos a largo plazo de una explosión cercana son más peligrosos. Los rayos gamma causan reacciones químicas en la atmósfera que involucran moléculas de oxígeno y nitrógeno , creando primero óxido de nitrógeno y luego dióxido de nitrógeno gaseoso. Los óxidos de nitrógeno provocan efectos peligrosos en tres niveles. Primero, agotan el ozono , con modelos que muestran una posible reducción global del 25% al ​​35%, con hasta un 75% en ciertas ubicaciones, un efecto que duraría años. Esta reducción es suficiente para causar un índice UV peligrosamente elevado en la superficie. En segundo lugar, los óxidos de nitrógeno causan smog fotoquímico , que oscurece el cielo y bloquea partes de la luz solar.espectro. Esto afectaría la fotosíntesis , pero los modelos muestran solo una reducción del 1% del espectro total de luz solar, que dura unos pocos años. Sin embargo, el smog podría potencialmente causar un efecto de enfriamiento en el clima de la Tierra, produciendo un "invierno cósmico" (similar a un invierno de impacto , pero sin impacto), pero solo si ocurre simultáneamente con una inestabilidad climática global. En tercer lugar, los niveles elevados de dióxido de nitrógeno en la atmósfera se lavarían y producirían lluvia ácida . El ácido nítrico es tóxico para una variedad de organismos, incluida la vida de los anfibios, pero los modelos predicen que no alcanzaría niveles que causarían un efecto global grave. De hecho, los nitratos podrían ser beneficiosos para algunas plantas. [123][124]

Con todo, un GRB dentro de unos pocos kiloparsecs, con su energía dirigida hacia la Tierra, dañará principalmente la vida al elevar los niveles de UV durante el estallido mismo y durante algunos años a partir de entonces. Los modelos muestran que los efectos destructivos de este aumento pueden causar hasta 16 veces los niveles normales de daño al ADN. Ha resultado difícil realizar una evaluación confiable de las consecuencias de esto en el ecosistema terrestre, debido a la incertidumbre en los datos biológicos de campo y laboratorio. [123] [124]

Efectos hipotéticos en la Tierra en el pasado

Los GRB lo suficientemente cercanos como para afectar la vida de alguna manera podrían ocurrir una vez cada cinco millones de años aproximadamente, alrededor de mil veces desde que comenzó la vida en la Tierra . [125]

Los principales eventos de extinción del Ordovícico-Silúrico de hace 450 millones de años pueden haber sido causados ​​por un GRB. Las especies de trilobites del Ordovícico tardío que pasaron parte de su vida en la capa de plancton cerca de la superficie del océano fueron mucho más afectadas que los habitantes de aguas profundas, que tendían a permanecer dentro de áreas bastante restringidas. Esto contrasta con el patrón habitual de eventos de extinción, en el que las especies con poblaciones más dispersas suelen tener mejores resultados. Una posible explicación es que los trilobites que permanecen en aguas profundas estarían más protegidos del aumento de la radiación UV asociada con un GRB. También apoya esta hipótesis el hecho de que durante el Ordovícico tardío, los bivalvos excavadoreslas especies tenían menos probabilidades de extinguirse que los bivalvos que vivían en la superficie. [9]

Se ha argumentado que el pico 774-775 de carbono 14 fue el resultado de un GRB corto, [126] [127] aunque una llamarada solar muy fuerte es otra posibilidad. [128]

Candidatos GRB en la Vía Láctea

Ilustración de un estallido corto de rayos gamma causado por el colapso de una estrella. [129]

No se han observado explosiones de rayos gamma desde dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea , [130] y la cuestión de si alguna vez ha ocurrido sigue sin resolverse. A la luz de la creciente comprensión de los estallidos de rayos gamma y sus progenitores, la literatura científica registra un número creciente de candidatos GRB locales, pasados ​​y futuros. Los GRB de larga duración están relacionados con supernovas superluminosas, o hipernovas, y la mayoría de las variables azules luminosas (LBV), y se cree que las estrellas Wolf-Rayet que giran rápidamente terminan sus ciclos de vida en supernovas de colapso del núcleo con un GRB asociado de larga duración. Sin embargo, el conocimiento de los GRB proviene de galaxias pobres en metales de épocas anteriores de la evolución del universo., y es imposible extrapolar directamente para abarcar galaxias más evolucionadas y entornos estelares con una metalicidad más alta , como la Vía Láctea. [131] [132] [133]

Ver también

  • Transitorio óptico azul rápido
  • Ráfaga de radio rápida
  • Precursor de estallido de rayos gamma
  • Horizontes: Explorando el Universo
  • Lista de explosiones de rayos gamma
    • GRB 020813
    • GRB 031203
    • GRB 070714B
    • GRB 080916C
    • GRB 100621A
    • GRB 130427A
    • GRB 190114C
  • Chorro relativista
  • BOTAS
  • Búsqueda de rayos gamma para inteligencia extraterrestre
  • Repetidor de gamma suave
  • Evolución estelar
  • Destellos de rayos gamma terrestres

Notas

  1. ↑ Una excepción notable es el evento del 5 de marzo de 1979, una explosión extremadamente brillante que se localizó con éxito en elremanente de supernova N49 en la Gran Nube de Magallanes . Este evento ahora se interpreta como un destello gigante de magnetar , más relacionado con losdestellos SGR que con los "verdaderos" estallidos de rayos gamma.
  2. ^ Los GRB reciben el nombre de la fecha en que se descubrieron: los dos primeros dígitos son el año, seguidos del mes de dos dígitos y el día de dos dígitos y una letra con el orden en que se detectaron durante ese día. La letra 'A' se agrega al nombre de la primera ráfaga identificada, 'B' para la segunda, y así sucesivamente. En el caso de ráfagas anteriores al año 2010, esta carta solo se adjuntó si ocurría más de una ráfaga ese día.
  3. ^ La duración de una ráfaga se mide típicamente por T90, la duración del período en el quese emite el90 por ciento de la energía de la ráfaga. Recientemente, se ha demostrado que algunos GRB de otro modo "cortos" van seguidos de un segundo episodio de emisión mucho más largo que, cuando se incluye en la curva de luz de ráfaga, da como resultado duraciones de T90 de hasta varios minutos: estos eventos son solo breves en el sentido literal cuando esto se excluye el componente.

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Otras lecturas

  • Vedrenne, G .; Atteia, J.-L. (2009). Explosiones de rayos gamma: las explosiones más brillantes del Universo . Springer . ISBN 978-3-540-39085-5.
  • Chryssa Kouveliotou; Stanford E. Woosley; Ralph AMJ, eds. (2012). Explosiones de rayos gamma . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66209-3.
  • Bing Zhang (2018). La física de los estallidos de rayos gamma . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9781139226530.

enlaces externos

Sitios de misión GRB
  • Misión rápida de explosión de rayos gamma :
    • Página de inicio oficial de Swift de la NASA
    • Centro de datos científicos de Swift del Reino Unido
    • Centro de operaciones de Swift Mission en Penn State
  • HETE-2: Explorador de transitorios de alta energía ( entrada Wiki )
  • INTEGRAL: Laboratorio INTERNACIONAL de Astrofísica de Rayos Gamma ( entrada Wiki )
  • BATSE: Explorador de fuentes transitorias y en ráfagas
  • Telescopio espacial de rayos gamma Fermi ( entrada Wiki )
  • ÁGIL: Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero ( entrada Wiki )
  • EXISTE: Telescopio de estudio de rayos X energético
  • Catálogo de explosión de rayos gamma en la NASA
Programas de seguimiento de GRB
  • Red de coordenadas de ráfagas de rayos gamma (GCN) ( entrada Wiki )
  • BOTAS: Observador de ráfagas y sistema de exploración de transitorios ópticos ( entrada Wiki )
  • GROND: Detector óptico de infrarrojo cercano de ráfagas de rayos gamma ( entrada Wiki )
  • KAIT: El telescopio automático de imágenes Katzman ( entrada Wiki )
  • MASTER: Sistema Astronómico Móvil del Telescopio-Robots
  • ROTSE: Experimento de búsqueda robótica óptica transitoria ( entrada Wiki )

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