Explosión de rayos gamma

Impresión artística de un brillante estallido de rayos gamma en una formación estelar. La energía de la explosión se irradia en dos chorros estrechos de dirección opuesta.

Estallidos de rayos gamma , las explosiones de rayos gamma , las explosiones de rayos gamma , o explosiones de rayos gamma ( Inglés ráfagas de rayos gamma , a menudo abreviadas GRB ) son ráfagas de energía muy alto rendimiento en el universo , del cual grandes cantidades de radiación electromagnética fuera.

El origen de las explosiones de rayos gamma aún no se ha aclarado por completo. Un estallido de rayos gamma se observó por primera vez el 2 de julio de 1967 con los satélites de vigilancia estadounidenses Vela , que en realidad se utilizaron para detectar pruebas de bombas atómicas en la superficie . No fue hasta 1973 que los científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México determinaron con certeza que los rayos provenían de las profundidades del espacio utilizando los datos de los satélites.

El término "explosión de rayos gamma" probablemente se ha vuelto común porque los satélites Vela fueron diseñados y equipados para detectar radiación gamma de explosiones de armas nucleares . La radiación electromagnética con energías de fotones en el rango de keV y superiores se suele denominar radiación gamma si se desconoce su fuente y origen. Los destellos gamma no están relacionados con la radiación gamma en el sentido físico nuclear más estrecho.

Observaciones

Los estallidos de rayos gamma liberan más energía en diez segundos que el sol en miles de millones de años. Mientras dure su brillo, un estallido de rayos gamma es más brillante que todas las demás fuentes de rayos gamma en el cielo. Los estallidos de rayos gamma también tienen un resplandor en el espectro óptico y de rayos X que se desvanece lentamente durante períodos del orden de días y semanas.

El destello de rayos gamma más brillante observado hasta la fecha fue registrado por el satélite de investigación Swift de la NASA el 19 de marzo de 2008. El brote provino de un objeto a 7.500 millones de años luz de distancia de la Tierra. Era 2,5 millones de veces más brillante que la supernova fluorescente más fuerte observada anteriormente y podría ser el primer GRB (en inglés que se ve estallido de rayos gamma) a simple vista. Esta explosión fue catalogada con el número GRB 080319B .

Resplandor óptico del flash de rayos gamma GRB-990123 (punto de luz en el cuadrado blanco y sección ampliada ). El objeto curvo de arriba es la galaxia de la que se originó. Probablemente fue deformado por una colisión con otra galaxia.

La radiación de los estallidos de rayos gamma no puede penetrar la atmósfera terrestre sin cambios. Por lo tanto, los estallidos de rayos gamma pueden

• directamente solo con telescopios espaciales
• o indirectamente midiendo las lluvias de radiación secundaria liberadas en la atmósfera.

Debido a su corta duración y alta luminosidad y debido a la baja resolución espacial de los telescopios satelitales, los estallidos de rayos gamma no pudieron asignarse a fuentes conocidas (visibles) ni suposiciones creíbles sobre sus causas. Al principio, se asumió que las fuentes de los rayos estaban dentro de nuestra Vía Láctea , porque eventos de tal brillo parecían físicamente inexplicables desde más lejos. Sin embargo, a partir de su distribución uniforme en todo el cielo, se podría concluir que se trata de eventos extragalácticos . De lo contrario, tendrían que agruparse en el plano de la Vía Láctea, en el que se encuentran la mayoría de las estrellas de la Vía Láctea, o, si pertenecieran al halo de la Vía Láctea, en dirección al centro galáctico.

Se logró un progreso significativo mediante la localización muy rápida de los estallidos de rayos gamma, de modo que otros telescopios puedan apuntar automáticamente a su posición en el cielo mientras el estallido de rayos gamma aún está en curso . Con la ayuda del satélite de rayos X BeppoSAX , el resplandor de los destellos de rayos gamma en el rango de rayos X se pudo observar por primera vez en 1997. Debido a la determinación de la posición mucho más precisa en la astronomía de rayos X , fue posible realizar observaciones de seguimiento específicas en luz ultravioleta y visible y asignarlas a fuentes conocidas. Se encontraron galaxias distantes en las ubicaciones de los estallidos de rayos gamma y, por lo tanto, fue posible probar directamente que los estallidos de rayos gamma tienen fuentes extragalácticas.

duración

La duración de los destellos de rayos gamma es de unos pocos segundos a un máximo de unos minutos; dos excepciones conocidas son GRB 060218 con 33 minutos y GRB 110328A (Sw 1644 + 57), que logró una duración récord de varias semanas.

GRB se puede dividir en dos clases diferentes según su duración. Los largos GRBs duran alrededor de 35 segundos en promedio, el ultra- GRB largo de más de 10.000 segundos. En algunos GRB muy largos, se pudo observar una supernova de colapso del núcleo al mismo tiempo que el destello de rayos gamma .

El 4 de septiembre de 2005, el satélite Swift de la NASA registró un brote que parpadeó durante 200 segundos, convirtiéndolo en uno de los GRB largos. Provenía de una región a 12.700 millones de años luz de distancia, es decir, de la época del universo relativamente joven . Este estallido de rayos gamma con la designación GRB 050904 es uno de los GRB más distantes y en ese momento era el segundo evento documentado más antiguo del universo.

Por el contrario, los GRB cortos duran menos de dos segundos. El resplandor óptico de este GRB también es mucho más corto que el del GRB largo. Se observó por primera vez en 2005. Los GRB cortos suelen tener espectros de rayos X más duros que los largos. Aproximadamente el 30% de todos los GRB cortos son seguidos por una ráfaga de rayos X muy variable que dura hasta 100 segundos. Este comportamiento diferente dentro de la clase de GRB corto sugiere más de un mecanismo de origen.

El 27 de diciembre de 2004, la Tierra fue golpeada por la erupción de rayos gamma y X GRB 041227 (21:30 UTC ) . Una estrella de neutrones había liberado más energía en 0,2 segundos que el sol en 150.000 años. El frente de onda a unos 50.000 años luz de distancia de la fuente fue más intenso que el estallido de radiación más fuerte jamás medido por nuestro sol. Investigadores en Australia informaron que la explosión gigante de la estrella de neutrones SGR 1806-1820 la hizo más brillante que la luna llena durante una décima de segundo.

Descanso anticipado

Aproximadamente el 15 por ciento de todas las explosiones de rayos gamma muestran uno o más precursores ( precursores ). Se trata de radiación gamma que se produce hasta 100 segundos antes del brote principal y tiene unas 100 veces menos luminosidad. Antes de la erupción principal, suele haber una fase en la que no se detecta radiación. El espectro corresponde al de la erupción principal. Si se observan varios precursores, hay periodos de descanso de alrededor de 10 segundos entre ellos.

espectro

Espectro de los rayos gamma se echó 910503a logarítmica se traza la espectral de fotones densidad de flujo N (E) con E ² escalado por la energía del fotón E . El gráfico de funciones rojo y azul muestra el curso de la fórmula fenomenológica que se muestra aquí.

La radiación muestra un espectro continuo con energías de fotones de menos de 1  keV hasta el rango de MeV. La mayoría de los espectros se pueden describir dividiéndolos en dos áreas. En el rango de bajas energías hasta unos pocos cientos de keV (dependiendo del GRB), la frecuencia de los fotones disminuye exponencialmente a medida que aumenta la energía de los fotones. En el área de altas energías, hay una disminución adicional en las frecuencias de una hipérbola . Debido a la amplia gama de energías que se producen, las frecuencias de los canales individuales difieren en muchas potencias de diez. Por lo tanto, una representación lineal de todo el espectro en un diagrama no tiene sentido. Una cantidad de potencia (frecuencia · energía²) se representa mejor frente a la energía de forma doble logarítmica. Esta representación muestra un máximo para la mayoría de los espectros, es decir, en la energía del fotón a la que se recibió la mayor potencia. Este pico de energía es característico del estallido de rayos gamma y tiene un promedio de 250 keV para los estallidos de rayos gamma investigados por BATSE .

El modelo fenomenológico exacto para el espectro continuo es:

${\ Displaystyle N (E) \ sim {\ begin {cases} {E ^ {\ alpha} \ exp \ left ({- {\ frac {E} {E_ {0}}}} \ right)}, & { \ text {para}} E \ leq (\ alpha - \ beta) E_ {0} \ \\ {\ left [{\ left ({\ alpha - \ beta} \ right) E_ {0}} \ right] ^ {\ left ({\ alpha - \ beta} \ right)} E ^ {\ beta} \ exp \ left ({\ beta - \ alpha} \ right)}, & {\ text {para}} E> (\ alpha - \ beta) E_ {0} \ \ end {cases}}.}$

• ${\ Displaystyle \ alpha}$y son parámetros libres;${\ Displaystyle \ beta}$${\ Displaystyle \ alpha \ approx -1, \ beta \ approx -2}$
• ${\ Displaystyle E_ {0}}$está vinculado a la vía de pico de energía .${\ Displaystyle E_ {p}}$${\ displaystyle E_ {0} = {\ frac {E_ {p}} {2+ \ alpha}}}$

Para y resultados: ${\ Displaystyle \ alpha = -1}$${\ Displaystyle \ beta = -2}$

${\ Displaystyle N (E) = {\ begin {cases} {E ^ {- 1} \ exp \ left ({- {\ frac {E} {E_ {p}}}} \ right)}, & {\ text {para}} E \ leq E_ {p} \\ E_ {p} E ^ {- 2} e ^ {- 1}, & {\ text {para}} E> E_ {p} \ \ end {casos }}}$

Las líneas espectrales individuales débiles se superponen en el continuo, pero están muy ensanchadas por Doppler . Estas líneas en el espectro continuo dan una idea de los procesos físicos involucrados en la creación de la radiación. El fuerte cambio al azul significa que el material explosivo se mueve hacia el observador a una velocidad muy relativista. El ensanchamiento Doppler resulta del fuerte movimiento térmico debido a la alta temperatura del material emisor.

El espectro no es constante durante la duración del GRB, pero se puede aproximar en todo momento utilizando las mismas funciones mencionadas anteriormente, solo que los parámetros cambian con el tiempo. En general, la energía de pico y, por tanto, la dureza del espectro disminuyen durante la duración del destello de rayos gamma, pero también pueden volver a aumentar brevemente durante el curso del destello con ráfagas de intensidad.

Posible emergencia

Debido a la corta duración del estallido de rayos gamma, el área desde la que se emitió no puede ser muy grande. El diámetro de un objeto lento (menos del 10% de la velocidad de la luz ) es como máximo igual al cambio más corto de brillo multiplicado por la velocidad de la luz; debido a los efectos relativistas , esta área puede ser un poco más grande, pero aún es bastante pequeña. Las explosiones especiales de supernovas, las llamadas hipernovas , son por tanto una posible causa de estallidos de rayos gamma. Otra posible causa de un estallido de rayos gamma es la fusión de estrellas de neutrones .

Si una ráfaga de rayos gamma se irradiara uniformemente en todas las direcciones, la ráfaga de rayos gamma GRB-990123 de enero de 1999 (ver imagen arriba) tendría que tener una potencia de radiación de más de 10 ⁴⁵  vatios , correspondiente a 2.5 · 10 ¹⁸ veces la luminosidad del sol , es decir,  2,5 billones de soles. Incluso los cuásares solo obtienen 10 ⁴⁰  vatios.

Por lo tanto, se supone que una ráfaga de rayos gamma solo se emite en dos áreas cónicas estrechas, opuestas, con un ángulo de apertura de unos pocos grados, es decir, la radiación se enfoca como un faro. Esto reduce la potencia de radiación requerida para explicar el brillo observado en aproximadamente 3 potencias de diez, pero sigue siendo extremadamente alta. Además, el enfoque puede explicar la intensidad de las explosiones de energía sin violar los principios físicos fundamentales. Finalmente, el estallido de rayos gamma es causado por ondas de choque en el gas de la explosión de la supernova , que se propaga casi a la velocidad de la luz . La cantidad total de energía liberada es aproximadamente del mismo orden de magnitud que una supernova, pero la supernova irradia la mayor parte de su energía en forma de neutrinos . Los cálculos del modelo muestran que la curva de brillo observada de las explosiones de rayos gamma se ajusta bien a las suposiciones. Las observaciones realizadas por GRB 080319B (ver arriba) muestran que dentro de las áreas cónicas todavía hay un chorro más pequeño, aún más 'puntiagudo' que prácticamente ya no muestra ningún ensanchamiento de diámetro. En el estallido de rayos gamma mencionado anteriormente, la Tierra estaba ubicada exactamente dentro de este 'rayo láser', lo que debería ser un evento raro: es posible que haya un segundo rayo con cada estallido de rayos gamma, pero esto solo se puede observar cuando la tierra o el dispositivo de medición está dentro de este estrecho cono de radiación se encuentra. Hasta ahora, este solo ha sido el caso con GRB 080319B.

Ilustración de una estrella masiva colapsando en un agujero negro . La energía liberada en forma de chorros a lo largo del eje de rotación forma un estallido de rayos gamma.

La diferencia con una supernova normal se explica por el hecho de que las estrellas particularmente masivas con más de 20  masas solares crean una hipernova , el área del núcleo central de la cual colapsa en un agujero negro que gira rápidamente . El gas circundante corre alrededor del agujero negro en un disco de acreción y se calienta muy fuertemente cuando cae.Luego, los chorros de gas se expulsan perpendicularmente al plano del disco y generan los estallidos de rayos gamma. La fusión de dos estrellas de neutrones conduce a resultados similares.

Incluso si durante mucho tiempo se sospechaba una conexión con las supernovas, no fue posible hasta 1997 vincular directamente un estallido de rayos gamma con la muerte de una estrella de este tipo. El satélite High Energy Transient Explorer (HETE) observó un estallido de rayos gamma, cuya fuente resultó ser el colapso de una estrella 15 veces la masa del Sol.

Para una parte del GRB con una larga erupción, se encontró una supernova en el mismo lugar, que se iluminó unas horas más tarde. Todas las coincidencias confirmadas son una supernova de colapso de núcleo desnudo del tipo Ic-b1. Estas estrellas desarrolladas han producido todos los elementos hasta el hierro en su núcleo y han perdido al menos las capas ricas en hidrógeno de la atmósfera a través del viento estelar o la interacción en un sistema estelar binario. Sin embargo, solo se ha encontrado un destello de rayos gamma correspondiente en una proporción muy pequeña de las supernovas Ic-b1. Esto se explica en primer lugar por el cono estrecho en el que se emite la radiación gamma y en el que sólo una pequeña parte de todas las supernovas se dirigen hacia la Tierra; en segundo lugar, la energía del estallido de rayos gamma no siempre es suficiente para penetrar en la atmósfera restante de la estrella. Por otro lado, no se han encontrado supernovas para todos los estallidos largos de rayos gamma. Por lo tanto, debería haber otros canales de formación para ráfagas largas de rayos gamma.

Los siguientes eventos están asociados con la formación de ráfagas largas de rayos gamma:

• Una supernova de colapso del núcleo asociada con la creación de una estrella de neutrones o un agujero negro
• Una hipotética hipernova asociada con la creación de un agujero negro

Durante un corto tiempo, los astrónomos creyeron que los magnetares (estrellas de neutrones jóvenes e inestables rodeadas por un campo magnético extremadamente fuerte) podrían ser la fuente de estallidos de rayos gamma particularmente cortos. Pero la teoría de la magnetar probablemente esté equivocada, como demostraron nuevas observaciones en 2005. La sonda HETE-2 , que ha estado en el espacio desde octubre de 2000, pudo interceptar un destello de rayos gamma de solo 70 milisegundos el 9 de julio de 2005. Los científicos se apresuraron a alinear los telescopios espaciales Hubble y Chandra y el telescopio danés de 1,5 metros en La Silla, Chile, con la explosión. De esta manera, se crearon las primeras imágenes del resplandor de un breve destello de rayos gamma en el área de la luz óptica.

Se discuten tres escenarios para la formación de ráfagas cortas de rayos gamma.

• La fusión de dos estrellas de neutrones en un sistema estelar binario por colisión
• La fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro en un sistema estelar binario por colisión
• El colapso de una enana blanca (supernova termonuclear, tipo Ia) cuando la masa máxima es superada por acreción ( límite de Chandrasekhar )

La emisión de rayos X después de la erupción podría resultar de la pérdida de energía rotacional de una magnetar que se acaba de formar .

El 17 de agosto de 2017, se observó por primera vez una señal de onda gravitacional ( GW170817 ) de la fusión de dos estrellas de neutrones. Al mismo tiempo, se asoció con un destello corto de rayos gamma (GRB 170817A) y se pudo observar en los rangos de ondas ópticas y electromagnéticas. Esta fue la primera evidencia de una supuesta conexión entre los destellos cortos de rayos gamma y la colisión de dos estrellas de neutrones.

Con la ayuda de una simulación por computadora, los científicos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional han examinado la fusión de dos estrellas de neutrones para formar un agujero negro con más detalle y han podido mostrar por primera vez que una estructura en forma de chorro es formados a lo largo del eje de rotación a través de la reorganización del campo magnético durante la fusión Pueden surgir explosiones internas de rayos gamma. Para la simulación, los científicos habían resuelto las ecuaciones de campo de Einstein y las ecuaciones de la magnetohidrodinámica para este escenario.

Especulación sobre las consecuencias de los estallidos de rayos gamma cercanos

Posible mecanismo

El daño inmediato e instantáneo causado por un estallido de rayos gamma dirigido directamente a la tierra estaría limitado según los resultados de un estudio, ya que los estallidos de rayos gamma suelen ser breves y una gran parte de los rayos gamma no llegan a la tierra . La radiación gamma se absorbe en la atmósfera , produciendo óxido nítrico , entre otras cosas . El lado de la tierra que mira en dirección opuesta al estallido de rayos gamma tampoco se verá afectado inmediatamente por el estallido de rayos gamma, ya que la radiación gamma no puede penetrar el planeta. Sin embargo, un estallido de rayos gamma lo suficientemente cercano forma tanto óxido de nitrógeno en la atmósfera que la capa de ozono resultaría gravemente dañada. Esto también podría tener una fuerte influencia en el lado de la tierra prístina.

Extinción masiva histórica

Una de las extinciones masivas más grandes en la historia de la Tierra puede haber sido provocada por un destello de rayos gamma en la Vía Láctea . Por ejemplo, se especula sobre un evento de hace 443 millones de años (fin del Ordovícico ). Como resultado de un destello de rayos gamma, la radiación ultravioleta del sol habría penetrado las capas de agua más altas de los océanos primordiales sin obstáculos después de que la capa de ozono hubiera sido destruida. Los organismos que vivían cerca de la superficie del agua podrían haber muerto allí (los organismos terrestres no existían en ese momento). Como indicación de tal escenario, se afirma que al final del Ordovícico, muchos trilobites que vivían cerca de la superficie del agua se extinguieron.

Peligros futuros

Se pidió a un grupo de científicos de la Universidad Estatal de Ohio que averiguara cuáles serían las consecuencias si un estallido de rayos gamma cercano (unos 500 años luz) golpeara la Tierra. La investigación también debería ayudar a aclarar las extinciones masivas en la Tierra y poder evaluar la probabilidad de vida extraterrestre . Como resultado, los científicos sospechan que un estallido de rayos gamma que ocurre cerca de nuestro sistema solar y golpea la Tierra podría desencadenar una extinción masiva en todo el planeta. El daño severo esperado a la capa de ozono colapsaría el suministro mundial de alimentos y provocaría cambios duraderos en el clima y la atmósfera. Eso causaría una extinción masiva en la tierra y reduciría la población mundial a, por ejemplo, el 10% de su valor actual.

El daño causado por un estallido de rayos gamma sería significativamente mayor que el causado por una supernova que ocurre a la misma distancia que el estallido de rayos gamma. Según el estudio, las explosiones de rayos gamma más allá de los 3.000  años luz no suponen ningún peligro.

Explosiones notables de rayos gamma

GRB de particular importancia histórica o científica:

• 670702-2 de julio de 1967: Se observó el primer GRB.
• 970228 - 28 de febrero de 1997: el primer GRB en detectar con éxito el resplandor crepuscular.
• 970508 - 8 de mayo de 1997: el primer GRB con un corrimiento al rojo determinado con precisión (un valor que permite a los astrónomos determinar la distancia a un evento u objeto).
• 980425 - 25 de abril de 1998: El primer GRB observado en relación con una supernova (SN 1998bw); mostró una estrecha relación entre SN y GRB.
• 990123 - 23 de enero de 1999: el primer GRB en detectar una emisión en el rango visible (ver imagen arriba).
• 041227 - 27 de diciembre de 2004: La Tierra es golpeada por una enorme explosión de rayos gamma, cuyo frente de onda emana de un magnetar (SGR 1806-1820) a 50.000 años de distancia.
• 050509B - 9 de mayo de 2005: El primer GRB corto para identificar el cuerpo de origen (apoyó la teoría de que los GRB cortos no están relacionados con las supernovas).
• 050724-24 de julio de 2005: un GRB corto, cuyo origen se determinó que era una estrella de neutrones que orbitaba un agujero negro.
• 050904 - 4 de septiembre de 2005: un antiguo récord de distancia para un GRB con un corrimiento al rojo de 6,29 (12,7 mil millones de años luz).
• 080319B - 19 de marzo de 2008: GRB más brillante y supernova más brillante descubierta hasta la fecha ( brillo absoluto : -36 mag); también el primer GRB que se pudo observar a simple vista ( magnitud aparente : 5,76 mag); al mismo tiempo, el objeto más distante que jamás se haya observado a simple vista (7.500 millones de años luz).
• 080913-13 de septiembre de 2008: el antiguo récord de distancia para un GRB con un corrimiento al rojo de 6,7 (12,8 mil millones de años luz).
• 090423 - 23 de abril de 2009: El GRB más distante con un corrimiento al rojo de 8.2 (13.035 mil millones de años luz) y, por lo tanto, el evento documentado más antiguo del universo (aproximadamente 630 millones de años después del Big Bang). Fue descubierto con Swift y GROND en el Observatorio La Silla.
• 100621A - 21 de junio de 2010: El destello de rayos gamma más fuerte jamás registrado; esto hizo fallar los instrumentos de medición de Swift; con 143.000 fotones (rayos X) / s más fuertes que el récord anterior (GRB 080916C).
• 110328A - 28 de marzo de 2011: El GRB de mayor duración hasta la fecha fue descubierto con Swift en la constelación de Draco . El fenómeno duró más de una semana.
• 130427A - 27 de abril de 2013: El evento podría ser detectado por telescopios espaciales y telescopios terrestres en Leo y se considera el GRB más enérgico y duradero hasta la fecha.
• 130603B - 3 de junio de 2013: registrado por el satélite Swift y la sonda Wind (con su espectrómetro transitorio de rayos gamma). Asimismo, la región fue observada por el Telescopio Espacial Hubble nueve días antes y 30 días después de la erupción. Al tercer día después de la erupción, se midió el flujo de rayos X en la región utilizando el satélite de rayos X XMM-Newton .
• GRB 170817A - 17 de agosto de 2017: con este destello de rayos gamma, una onda gravitacional podría medirsesimultáneamente por primera vez.

Ver también

• Kilonova
• Explosión de rayos gamma de baja luminosidad
• Flash de radio rápido

literatura

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enlaces web

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• Swift: Mapa del cielo en tiempo real con ráfagas de rayos gamma . - basado en datos del satélite Swift de la NASA
• NASA: Red de coordenadas de ráfagas de rayos gamma .
• Las mayores explosiones del universo bbc.com

Videos

• ¿Qué es una hipernova? de la serie de televisión Alpha-Centauri (aprox. 15 minutos). Primera emisión el 6 de diciembre de 2006.
• ¿Se están fusionando los agujeros negros? de la serie de televisión Alpha-Centauri (aprox. 15 minutos). Primera emisión el 27 de mayo de 2001.
• ¿Qué es la superflare del 27 de diciembre de 2004? de la serie de televisión Alpha-Centauri (aprox. 15 minutos). Primera transmisión el 27 de septiembre 2006.

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