La UMA participa en un estudio que detecta la explosión más enérgica del universo a partir del colapso de una estrella

Las explosiones de rayos gamma (GRB) son estallidos cósmicos breves, repentinos y extremadamente potentes producidos por el colapso de estrellas masivas o por la fusión de estrellas de neutrones en galaxias distantes. Comienzan con un destello inicial muy intenso cuya duración varía entre una fracción de segundo y los cientos de segundos, seguido de un resplandor posterior menos brillante en una amplia gama de longitudes de onda que se desvanece con el tiempo. El primer GRB detectado por los telescopios MAGIC, denominado GRB 190114C, revela por primera vez los fotones más energéticos detectados en estos eventos.

Los fotones detectados por MAGIC se hallan en el rango de los teraelectronvoltios (TeV), y son un billón de veces más energéticos que los de la luz visible. Los estudios teóricos predecían que los GRBs eran productores de fotones TeV, y esta detección culmina décadas de búsqueda. "Después de más de cincuenta años del descubrimiento de los GRBs, muchos de sus aspectos fundamentales siguen siendo desconocidos –apunta Razmik Mirzoyan, portavoz de la colaboración MAGIC–. El descubrimiento de la emisión de GRB 190114C en la nueva ventana de TeV muestra que las explosiones de rayos gamma son aún más poderosas de lo que se pensaba. La gran cantidad de datos nuevos adquiridos por MAGIC y las extensas observaciones de seguimiento multionda con distintos instrumentos ofrecen valiosas pistas para desentrañar algunas de las incógnitas relacionadas con los procesos físicos involucrados en los GRBs”.

Detección con los telescopios MAGIC

El 14 de enero de 2019 los satélites espaciales Swift y Fermi descubrieron independientemente el estallido GRB 190114C. En veintidós segundos sus coordenadas en el cielo se distribuyeron a través de una alerta electrónica a astrónomos de todo el mundo, incluida la colaboración MAGIC, que opera dos telescopios de diecisiete metros de diámetro ubicados en La Palma.

Los telescopios MAGIC, que destacan por su rápida capacidad de apuntado, comenzaron a observar el GRB solo cincuenta segundos después del comienzo. El análisis de los datos obtenidos durante las primeras decenas de segundos convirtió a este evento en la fuente más brillante de fotones en el rango de los teraelectronvoltios (TeV). Tal y como ocurre en el resplandor posterior de los GRBs estudiados a energías más bajas, la emisión se desvaneció rápidamente con el tiempo y media hora después había desaparecido.

El nivel de energía detectado por MAGIC está muy por encima de lo que puede aportar la radiación sincrotrón, responsable de la emisión observada a energías más bajas en estallidos anteriores y que es producida por electrones moviéndose a velocidades próximas a la de la luz en presencia de campos magnéticos.

Estos nuevos resultados apuntan a que el origen más probable de la emisión en teraelectronvoltios es el llamado proceso Compton inverso, donde una población de fotones eleva significativamente su energía al chocar con electrones muy energético.

Observaciones multionda: el entorno del estallido

Después de una cuidadosa verificación de los datos preliminares, la colaboración MAGIC anunció la detección inequívoca de fotones TeV a la comunidad científica, lo que facilitó una extensa campaña de observaciones en múltiples longitudes de onda.

Investigadores del IAA-CSIC participaron en la campaña de seguimiento del evento con el mayor telescopio óptico del planeta, el Gran Telescopio Canarias (GTC), en la isla de La Palma. “Los datos en el óptico obtenidos por el GTC horas después de la detección nos permitieron determinar la distancia a la que se produjo el estallido, unos cuatro mil quinientos millones de años luz”, apunta Alberto J. Castro-Tirado, investigador de grupo ARAE del IAA-CSIC que participó en la campaña de observación con GTC y que coordina la red de telescopios BOOTES, en la que también participan los investigadores de la UMA Carlos Pérez del Pulgar, Alberto Castellón e Irene Carrasco, que obtuvo también imágenes del evento; en particular la única imagen simultánea cubriendo la región del cielo de donde provenía la emisión de alta energía, desde la estación BOOTES-2 del Instituto de Hortofruticultura Subtropical y Mediterránea “La Mayora” (UMA-CSIC) en Algarrobo Costa (Málaga).

Además, gracias a un abundante conjunto de datos, investigadores del IAA han aportado una panorámica completa del entorno donde se produjo el GRB. “Hemos combinado datos de algunos de los observatorios más potentes del mundo, como el telescopio espacial Hubble, el Very Large Telescope (VLT) y ALMA –el mayor radiotelescopio del mundo- para explicar la radiación observada por MAGIC y para comprobar si la emisión de fotones tan energéticos en este GRB está relacionada con el entorno de la estrella que, al colapsar, produjo el estallido”, señala Antonio de Ugarte, investigador del grupo HETH del IAA-CSIC que coordina un segundo estudio.

Este grupo de investigadores pudo así determinar que el GRB se produjo en la región central de una galaxia que se halla en proceso de interacción con otra galaxia algo mayor y muy próxima, un proceso que desencadena intensos brotes de formación estelar. No solo la galaxia anfitriona del GRB es más masiva de lo habitual en estos fenómenos, sino que el entorno inmediato de la estrella en colapso es también más denso que el que presentan de media este tipo de estallidos. “Necesitamos estudiar el sistema en más detalle aún, pero un entorno tan denso ha podido ser crucial en la producción de los fotones ultraenergéticos detectados con MAGIC. Esperamos poder confirmarlo en los próximos estudios en los que estamos trabajando”, indica de Christina Thöne, investigadora del grupo HETH del Instituto de Astrofísica de Andalucía que participa en los artículos divulgados hoy.

Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista 'Nature', un artículo en el que los científicos de la UMA Alberto Castellón, del departamento de Álgebra, Geometría y Topología, y Carlos Pérez del Pulgar, de Ingeniería de Sistemas y Automática, además de Irene M. Carrasco, del Instituto de Astrofísica de Andalucía, son coautores, junto a un amplio equipo internacional.