Fusión en el Universo: ráfagas de rayos gamma Understand article

Traducido por Jorge Puimedón. Universidad de Zaragoza. Henri Boffin de la ESO en Garching (Alemania), nos cuenta el misterio de las ráfagas de rayos gamma desde su descubrimiento hasta la investigación más reciente sobre estas dramáticas explosiones astronómicas.

Todo comenzó como en una película de James Bond. Durante los años 1960-70, en plena Guerra Fría, EE.UU. lanzó una serie de satélites sensibles a la radiación gamma para controlar el cumplimiento por parte de la U.R.S.S. del Tratado de Prohibición de Pruebas Nucleares, que prohibía las pruebas nucleares en la atmósfera, bajo el mar y en el espacio. No detectaron ninguna explosión en la atmósfera.

Sin embargo, unas misteriosas ráfagas de rayos gamma parecían venir del espacio, como si – tal y como escribió la prensa sensacionalista – hubiera una gran guerra intergaláctica.

Los pocos científicos que tenían acceso a los datos (militares) querían verificar todos los detalles y no fue hasta 1973, seis años después de su primera detección, que se comunicó el descubrimiento de estas enigmáticas explosiones a la comunidad científica. Desgraciadamente, los primeros detectores no pudieron localizar con precisión la fuente de rayos gamma en el cielo, generando una larga controversia acerca de su origen.

¿Linternas o faros?

Los científicos no sabían la posición ni la distancia de estas explosiones. ¿Ocurrían cerca – en el Sistema Solar o en la Vía Láctea – o mucho más lejos? No era posible determinar la potencia de estos fenómenos sin saber la distancia: ¿eran ‘chispas’ en la superficie de los cometas, eran cometas cayendo en estrellas compactas o eran explosiones gigantescas totalmente desconocidas? La situación era parecida a una persona paseando de noche que ve una luz lejana: ¿es la linterna de alguien que cruza la calle, las luces de un coche lejano, o la tranquilizadora luz de un faro en la lejanía?

Los astrónomos dieron rienda suelta a su imaginación. Hubo unas cien conjeturas para explicar el fenómeno, ¡más que el número de ráfagas observadas! Como casi siempre, los avances se hicieron usando nuevas tecnologías, en particular con el lanzamiento de satélites dedicados a la investigación de los rayos gamma.

El detector BATSE, a bordo del Observatorio Compton de Rayos Gamma de la NASA, desveló que en el Universo hay, en promedio, dos o tres ráfagas diarias de rayos gamma. BATSE también mostró que proceden de todas las direcciones. Esto parecía contradecir la idea de que se originaban solo en nuestra Vía Láctea, porque en ese caso mostrarían una distribución plana debido a que nuestra galaxia es un disco muy aplanado de estrellas, como se aprecia claramente en el cielo nocturno: una banda de estrellas cruzando el cielo.

Aunque fueron cruciales, estas observaciones no resolvieron completamente el debate y al final de la década de los años 1980, los astrónomos estaban divididos en dos grupos: uno creía que las ráfagas de rayos gamma se debían a ‘sucesos locales’ – cometas cayendo en estrellas de neutrones, por ejemplo – que estaban en un halo que rodeaba nuestra galaxia. El otro grupo rechazaba esta hipótesis y mantenía que eran sucesos catastróficos relacionados con la muerte de estrellas y el nacimiento de agujeros negros, que ocurrían en cualquier parte del Universo.

La disputa continuó hasta que el satélite^w2, italo-holandés BeppoSAX, lanzado en 1996, usando una combinación de cámaras de rayos X y detectores de rayos gamma, demostró que las ráfagas de rayos gamma se originan en galaxias muy lejanas. Desde entonces, la ráfaga más lejana se ha localizado a más de 12.8 mil millones de años luz, lo que significa que se produjo cuando la edad del Universo era 900 millones de años^w3.

Los sucesos más potentes desde la Gran Explosión

Las ráfagas de rayos gamma liberan enormes cantidades de energía que las hacen detectables desde la Tierra. Se piensa que la energía liberada durante los escasos segundos de una ráfaga es mayor que la liberada por el Sol durante toda su vida (unos 10.000 millones de años). En pocas palabras, estos sucesos son tan brillantes ¡que su luminosidad es, durante un momento, comparable a la del Universo! Su vida es, por el contrario, efímera: desde fracciones de segundo hasta unos pocos minutos.

Las ráfagas de rayos gamma son sin duda los fenómenos más potentes que se conocen, si exceptuamos la Gran Explosión. Los astrónomos han podido determinar que la región afectada por una ráfaga es muy grande, en una ocasión fueron unos 5.500 años-luz, que es más de un quinto de la distancia entre el Sol y el centro de nuestra galaxia. Todo el material en la región afectada se ioniza; es decir, los átomos pierden todos o casi todos sus electrones. Cualquier clase de vida que haya en esta región del Universo será probablemente erradicada. De hecho, algunos científicos sostienen que la extinción masiva del Ordovícico-Silúrico, que ocurrió hace unos 450 millones de años y en la que aproximadamente el 70% de todas las especies de la Tierra fueron aniquiladas, fue causada por una ráfaga cercana de rayos gamma.

Las ráfagas de rayos gamma son, pues, fenómenos inconcebibles y devastadores que liberan ingentes cantidades de energía. La cuestión es qué clase de ‘máquina’ puede provocarlas. Como la formación de un agujero negro es un suceso muy potente, los astrónomos comenzaron a investigar si ambos – ráfagas de rayos gamma y agujeros negros – podían relacionarse.

Aunque los detalles no están claros, los científicos creen ahora que el mejor modelo para explicar las ráfagas de rayos gamma es la ‘bola de fuego’. Según este modelo, durante la formación de un agujero negro, la energía liberada por la explosión se convierte en energía cinética de una capa de partículas – una bola de fuego – que se expande casi a la velocidad de la luz. La densidad inicial del material que explota es tan alta que ni tan siquiera los fotones ni los neutrinos pueden escapar. Cuando la bola de fuego alcanza un diámetro entre 10 y 100 mil millones de kilómetros, la densidad de fotones es lo bastante baja para que los rayos gamma escapen sin obstáculos y la energía cinética de la bola de fuego se convierte en radiación electromagnética: la ráfaga de rayos gamma.

Largas y cortas

Las abundantes observaciones de las ráfagas de rayos gamma han revelado que son de dos tipos principales: largas (de más de dos segundos) y cortas (desde unos pocos milisegundos hasta menos de dos segundos). Además, las cortas tienen más fotones de alta energía que las largas. Claramente, aunque ambos tipos estén asociados a agujeros negros, los orígenes físicos concretos de los dos tipos deben ser diferentes.

Recientemente, una gran colaboración internacional ha probado definitivamente que las ráfagas largas están relacionadas con la explosión final de estrellas muy masivas (hipernovas) cuya masa inicial es mayor que 30 ó 40 masas solares y que colapsan en un agujero negro. La evidencia clave la proporcionaron los telescopios de la ESO en el año 2003^w4. Con el VLT(Very Large Telescope)^w5 de la ESO, los astrónomos midieron, durante más de un mes, los espectros de los últimos resplandores de una ráfaga de rayos gamma. Esto les permitió observar la aparición gradual de un espectro típico de supernova, desvelando la explosión extremadamente violenta de una estrella.

Algunos sucesos más han permitido a los astrónomos relacionar las ráfagas largas con hipernovas. Uno de ellos ocurrió el 11 de diciembre de 2001 y fue observado por el satélite ESA XMM-Newton^w6, solo once horas después de la detección de la ráfaga. En ese momento, el objeto estaba emitiendo ¡siete millones de veces más rayos X que una galaxia normal! XMM tomó detallados espectros de la ráfaga y los astrónomos pudieron ver la huella de varios elementos como el magnesio, el silicio y el níquel, que son expulsados usualmente en una explosión estelar (para más detalles sobre la formación de los metales pesados, véase Rebusco, Boffin & Pierce-Price, 2007). Los astrónomos estaban detectando la materia recién expulsada por una supernova.

Fusión de estrellas

¿Y las ráfagas cortas de rayos gamma? Hasta hace poco, los astrónomos no podían detectar sus últimos resplandores. En consecuencia, no era posible situarlas con precisión, ni deducir el entorno donde se formaban, ni caracterizar su curva de luz (variación de brillo con el tiempo) ni su espectro.

Todo cambió el 9 de marzo de 2005 cuando el satélite NASA/ASI/PPARC Swift^w7detectó y situó una ráfaga de rayos gamma de 40 milisegundos con tal precisión que permitió a los astrónomos apuntar el VLT de la ESO para tomar imágenes. La ráfaga, llamada GRB 050509B, estaba situada en una galaxia elíptica luminosa e inactiva a 2700 millones de años luz de nosotros.

Esta circunstancia dificultaba el modelo de hipernova porque el colapso de su centro no es verosímil en una galaxia de este tipo, que ya no produce más estrellas y está generalmente desprovista de las efímeras estrellas masivas que colapsan como hipernovas. Por otra parte, las galaxias elípticas luminosas e inactivas albergan muchos sistemas binarios fuertemente ligados (dos estrellas muy próximas orbitando una respecto a otra) compuestos por estrellas compactas. Esto justifica el otro modelo existente, en el que las ráfagas de rayos gamma se producen cuando las dos estrellas de neutrones de un sistema binario se unen y forman un agujero negro. Para excluir el modelo de hipernova, observaron la ráfaga tres semanas más para poder detectar alguna hipernova muy débil. Y no encontraron ninguna.

Unos meses más tarde, los astrónomos detectaron por primera vez, el último resplandor óptico de una ráfaga corta. Las imágenes del observatorio La Silla de la ESO en Chile mostraron una fuente apagándose en el borde de una galaxia.

Observaron la ráfaga, llamada GRB 050709, durante 20 días pero no detectaron ninguna señal tipo supernova. Esto respaldó la hipótesis de que las ráfagas cortas no son el resultado de una hipernova, sino de la fusión de dos estrellas compactas que forman un agujero negro.

En el modelo de fusión (ver imagen), dos estrellas masivas que orbitan una respecto a la otra consumen su combustible en unos 100 millones de años y colapsan en estrellas de neutrones muy densas de unos 10 a 20 km de diámetro. Ambos objetos continúan perdiendo energía los siguientes 100 millones o unos pocos mil millones de años y van acercándose. Finalmente colisionan y producen una ráfaga corta de rayos gamma. También es posible que una de las estrellas se convierta en un agujero negro que devora a la otra estrella de neutrones.

Cuarenta años después del descubrimiento de las ráfagas de rayos gamma, sabemos que aparecen en cualquier parte del Universo, desde su extremo más alejado hasta las galaxias más cercanas. Tenemos también una explicación para los tipos más comunes de ráfagas descubiertas. Pero la naturaleza es más complicada que lo que imaginamos: con los avances en las técnicas de observación, los astrónomos continúan descubriendo nuevos tipos de ráfagas, y el final de la historia está sin escribir.

References

• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusión en el Universo: el origen de la joyería, Science in School 5. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion/spanish

Web References

• w1 – ESO, el Observatorio Europeo Austral: www.eso.org
• w2 – BeppoSAX: www.asdc.asi.it/bepposax/
• w3 – Star Death Beacon at the Edge of the Universe (nota de prensa de la ESO): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2005/pr-22-05.html
• w4 – Cosmological Gamma-Ray Bursts and Hypernovae Conclusively Linked (nota de prensa de la ESO): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2003/pr-16-03.html
• w5 –Para saber más sobre el Very Large Telescope de la ESO, veáse www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/paranal.html
• o Pierce-Price D (2006) Running one of the world’s largest telescopes. Science in School 1: 56-60. www.scienceinschool.org/2006/issue1/telescope
• w6 – XMM-Newton: http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23
• w7 – La página web de NASA Swift: http://swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html

Resources

• Para saber más sobre supernovas, véase:Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusión en el Universo: cuando una estrella gigante muere… Science in School 6. www.scienceinschool.org/2007/issue6/fusion/spanish
• GCN, la red de coordenadas de ráfagas de rayos gamma: http://gcn.gsfc.nasa.gov

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Review

Este es un artículo muy estimulante que introduce y discute un fenómeno que conlleva una cantidad colosal de energía: las ráfagas de rayos gamma. El artículo podría usarse para estimular una discusión acerca del origen y misterios del Universo, así como de los descubrimientos científicos y los avances tecnológicos en la investigación. Podría estimular el interés de los estudiantes jóvenes por la astronomía.

Alessandro Iscra, Italia

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