La fuente de los estallidos de rayos gamma

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bservaciones realizadas por dos de los telescopios más grandes del mundo proporcionan una fuerte evidencia de que un tipo peculiar de explosión estelar puede ser el origen de los esquivos estallidos de rayos gamma que han intrigado a los científicos durante más de 30 años.

Un equipo de astrónomos de Italia, Japón, Alemania y de los Estados Unidos concluye, a partir de observaciones realizadas con los telescopios Keck y Subaru en Hawai que las estrellas desnudas de carbono-oxígeno, cuando se aplastan al colapsar en un agujero negro, son buenas candidatas para fuentes de estallidos de rayos gamma.

Aunque los astrónomos han observado un par de estallidos asociados con este tipo de supernova (una supernova Tipo Ic, conocida a veces como hipernova), la teoría de cómo una estrella tal produce rayos gamma está todavía sujeta a la especulación.

Las nuevas observaciones, aunque no son exactamente “un arma humeante”, proporcionan una pieza clave de evidencia de que esta teoría, conocida como modelo colapsar, es correcta.

El modelo explica la forma en que una estrella explosiva asimétrica produce un apretado hay de materia y energía que surge de cada uno de sus polos, generando un intenso estallido de rayos gamma, mientras que la ausencia de una envoltura de hidrógeno y helio permite el escape del estallido.

“Parece ser que para producir un estallido de rayos gamma, es necesario que una supernova de colapso de núcleo sea al mismo tiempo asimétrica en su mecanismo de explosión, de modo que haya un eje natural a lo largo del cual la materia pueda ser lanzada más fácilmente, y que carezca de una envoltura de hidrógeno, de modo que el chorro no tenga que perforar a través de una gran cantidad de material”, dijo el co-autor Alex Filippenko, un profesor de astronomía de UC Berkeley.

El equipo, liderado por Paolo Mazzali del Observatorio de Trieste en Italia y del Instituto Max Planck para Astrofísica en Garching, Alemania, informó sobre sus hallazgos en un artículo que apareció en el número del 27 de mayo de la revista Science.

El hecho de que no se haya observado un estallido de rayos gamma asociado con esta supernova está en realidad de acuerdo con las predicciones, dijo Ryan Foley, un estudiante graduado de Berkeley y miembro del equipo.

“Estas observaciones sugieren que el modelo colapsar es probablemente correcto y que estas supernovas Tipo 1c parecen ser estallidos de rayos gamma desalineados con el eje, en las que el estallido apunta en otra dirección que no sea la Tierra”, dijo Foley.

Los estallidos de rayos gamma son breves pero brillantes destellos de rayos-X y rayos gamma que parecen dispararse al azar en el cielo aproximadamente una vez al día, y que por unos momentos brillan un trillón (1018) de veces más que el Sol. Recién en 1997 se estableció que se originaban más allá de la Vía Láctea, y solamente hace pocos años que los astrónomos han logrado provocadores indicios de que están asociados con supernovas.

Como son tan brillantes, los estallidos de rayos gamma deben ser haces colimados, algo similar pero mucho más apretado que el cono de luz emitido por un faro. De otro modo, la energía de la explosión sería equivalente a la conversión instantánea de varias masas solares en una bola de energía.

El escenario más popular es que una estrella colapsante genera dos haces altamente colimados de haces o chorros de partículas y energía que surge destellando desde los polos. Las partículas y la energía general una onda de choque cuando golpean al gas y al polvo que rodea la estrella, los que a su vez aceleran sus partículas hasta energías en las cuales emiten radiación de alta energía: rayos gamma y rayos-X. El estallido inicial se desvanece en unos pocos segundos, pero las ondas de choque resultantes (el “post-resplandor”) pueden ser vistas con telescopios ópticos, de radio y de rayos-X por varios días después de la explosión.

Una candidata posible para el tipo de supernova que podría producir un estallido de rayos gamma es una supernova Tipo Ic. Las supernovas Tipo Ic son el resultado de estrellas masivas cuyos vientos han derramado sus envolturas exteriores de hidrógeno y a menudo también las de helio, o que han perdido esas capas externas a manos de una compañera binaria. Solamente permanece el núcleo, compuesto de elementos producidos por la fusión en el corazón de la estrella, principalmente carbono y oxígeno pero también otros elementos pesados, hasta un centro de hierro sólido.

La teoría colapsar propone que la esfera de hierro sólido en el propio corazón de la estrella colapsa por gravedad hasta convertirse en un agujero negro, pero que ese colapso de una fracción de segundo tiene lugar de una manera única. A medida que el hierro y el material que lo rodea caen hacia dentro, aumenta la velocidad de rotación, achatando el material que cae y formando un disco que fluye hacia dentro a lo largo del ecuador. La congestión de la materia que cae empuja algo de ella hacia atrás a lo largo del camino de menor resistencia, los dos agujeros de salida en cada polo.

La materia que sale disparada de los polos embiste las otras capas de la estrella, que le pueden resultar imposibles de penetrar. La ausencia de una envoltura de hidrógeno y helio aumenta probablemente las probabilidades de que el chorro pueda abrirse camino.

“Tiene tanta energía que pasa a través de estas capas exteriores de la estrella, que tienen una densidad relativamente pequeña comparada con la del disco de material que cae hacia el centro de la estrella”, dijo Foley. “Finalmente, si las atraviesa, se obtiene un chorro de rayos gamma. Algunas supernovas Tipo Ic pueden resultar en estallidos fallidos de rayos gamma, lo que significa que el chorro intentó pasar, pero que había demasiado material en su ruta y nunca pudo abrirse camino. Esto explicaría por qué no vemos estallidos de rayos gamma asociados con algunos de estos objetos”.

Si la teoría es correcta, los astrónomos deberían observar diferentes cosas, dependiendo si el chorro apunta hacia la Tierra o no. Si el chorro surge perpendicular a nuestra línea de visión, por ejemplo, no se vería ningún estallido de rayos gamma, pero deberían poder verse otros aspectos de la expansiva onda de explosión de la supernova. En particular el espectro de la supernova, más o menos un año después de la explosión, debería mostrar líneas de emisión de algunos elementos, tales como el oxígeno, que estén partidas, una desviada ligeramente hacia longitudes de onda más bajas y la otra desviada hacia longitudes de onda más altas. Las dos líneas provendrían de lados opuestos del disco en expansión alrededor de la región ecuatorial del agujero negro remanente, una con un desplazamiento Doppler hacia el rojo porque se está alejando de nosotros, y la otra desplazada hacia el rojo porque se nos acerca. Tales líneas partidas o dobles no serían visibles desde una perspectiva polar.

Hace unos dos años, el 25 de octubre de 2003, unos investigadores de UC Berkeley descubrieron una supernova Tipo Ic utilizando el telescopio de busca automatizada de supernovas de Filippenko, el Telescopio Automático Katzman de Imágenes (KAIT = Katzman Automatic Imaging Telescope) en el Observatorio Lick de la Universidad de California. Denominada SN 2003jd, la supernova se encontraba a unos 260 millones de años luz en la constelación de Acuario. Aunque no se registró ningún estallido asociado de rayos gamma, la supernova parecía ser tan brillante como las supernovas previamente asociadas con estos estallidos, de modo que el equipo internacional que publicó su informe esta semana en Science decidió darle un nuevo vistazo a la supernova, obteniendo su espectro en busca de líneas de emisión de dos picos.

“Estas observaciones fueron realmente guiadas por nuestras predicciones teóricas”, dijo Mazzali. “La idea era que una supernova brillante tipo Ic, no acompañada por un estallido de rayos gamma, podría ser precisamente lo que estábamos buscando, un evento fuera-de-eje que confirmaría nuestras predicciones”.

Koji Kawabata de la Universidad de Hiroshima, Kenichi Nomoto de la Universidad de Tokio y sus colegas, observaron la nebulosa remanente con el telescopio Subaru de 8,2 metros el 12 de setiembre de 2004, unos 330 días después de la explosión. A continuación, Filippenko y Foley apuntaron el telescopio Keck de 10 metros hacia la nebulosa el 19 de octubre de 2004, unos 370 días después de la explosión inicial, a los efectos de obtener imágenes espectrales con el Espectrómetro de Imágenes de Baja Resolución (LRIS = Low Resolution Imaging Spectrometer). Ambos telescopios están ubicados en la cima del volcán Mauna Kea, en la isla de Hawai. Subaru es operado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, mientras que el Observatorio Keck es manejado por la Asociación para la Investigación en Astronomía de California, cuya mesa de directores incluye representantes del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y de la Universidad de California (UC).

Kawabata, Mazzali y su equipo analizaron los espectros, revelando que exhibían líneas partidas de emisión de oxígeno y magnesio exactamente iguales a lo que se esperaría si el modelo colapsar de producción de rayos gamma fuera correcto. Ésta fue la primera supernova Tipo Ic en mostrar líneas partidas de oxígeno.

“Los chorros son una firma del modelo, lo que significa que no todas las explosiones apuntarán directamente hacia nosotros. Si cada vez que observamos estos objetos, ellos parecen estar apuntando hacia nosotros, significaría que el modelo sería probablemente erróneo”, dijo Foley. “El modelo predice que cierto porcentaje de estos objetos debería ser como esta supernova (SN 2003dj). Ahora que hemos encontrado uno de ellos, la credibilidad del modelo ha aumentado”.

Para poder observar estas líneas dobles de oxígeno, la nebulosa de la supernova debería ser vista dentro de unos 20 grados del disco en expansión, una situación poco común que podría explicar por qué otras supernovas Tipo Ic, incluyendo a algunas asociadas con estallidos de rayos gamma, no muestran dichas líneas.

“(Nuestras observaciones) fortalecen la conexión entre los estallidos de rayos gamma y las supernovas Tipo Ic al mostrar que la supernova de esta clase SN 2003dj parece haber sido de hecho una explosión asimétrica cuyos ejes principales de eyección no apuntaban hacia nosotros”, dijo Filippenko.

Otros co-autores del artículo son Keiichi Maeda, Jinsong Deng y Nozomu Tominaga de la Universidad de Tokio; Enrico Ramirez-Ruiz del Instituto para Estudios Avanzados en Princeton, New Jersey; Stefano Benetti del Observatorio Astronómico de Padua, Italia; Elena Pian del Observatorio de Trieste; Youichi Ohyama del Telescopio Subaru; Masanori Iye del Observatorio Astronómico Nacional de Japón; Thomas Matheson del Observatorio Óptico Nacional en Tucson, Arizona; Lifan Wang del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y Avishay Gal-Yam de Caltech.

El trabajo fue financiado parcialmente por la Fundación Nacional de Ciencias, la Sociedad Japonesa de Promoción de la Ciencia y del Ministerio japonés de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología.