El domingo 9 de octubre de 2022, un pulso de intensa radiación barrió el sistema solar de forma tan excepcional que los astrónomos rápidamente lo llamaron “The boat”, el más brillante de todos los tiempos. La fuente fue un estallido de rayos gamma (GRB), la clase más poderosa de explosiones en el universo.
La explosión activó detectores en numerosas naves espaciales, y los observatorios de todo el mundo hicieron un seguimiento. Después de revisar todos estos datos, los astrónomos ahora pueden caracterizar cuán brillante era y comprender mejor su impacto científico.
“GRB 221009A fue probablemente el estallido más brillante en energías de rayos X y rayos gamma que ocurrió desde que comenzó la civilización humana”, dijo Eric Burns, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad Estatal de Louisiana en Baton Rouge. Dirigió un análisis de unos 7.000 GRB, detectados principalmente por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA y el instrumento ruso Konus en la nave espacial Wind de la NASA, para establecer con qué frecuencia pueden ocurrir eventos tan brillantes. Su respuesta: una vez cada 10.000 años.
Este gráfico compara la emisión rápida del BOAT con la de cinco estallidos de rayos gamma largos que tenían registros anteriores. El BOAT era tan brillante que cegó efectivamente la mayoría de los instrumentos de rayos gamma en el espacio, pero los científicos estadounidenses pudieron reconstruir su verdadero brillo a partir de los datos de Fermi. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y Adam Goldstein (USRA)
El estallido fue tan brillante que cegó efectivamente a la mayoría de los instrumentos de rayos gamma en el espacio, lo que significa que no pudieron registrar directamente la intensidad real de la emisión. Los científicos estadounidenses pudieron reconstruir esta información a partir de los datos de Fermi. Luego compararon los resultados con los del equipo ruso que trabaja en los datos de Konus y los equipos chinos que analizan las observaciones del detector GECAM-C en su satélite SATech-01 y los instrumentos en su observatorio Insight-HXMT. Juntos, demuestran que la explosión fue 70 veces más brillante que cualquier otra vista hasta ahora.
Burns y otros científicos presentaron nuevos hallazgos sobre el BOAT en la reunión de la División de Astrofísica de Alta Energía de la Sociedad Astronómica Americana en Waikoloa, Hawai. Las observaciones de la explosión abarcan todo el espectro, desde ondas de radio hasta rayos gamma, e incluyen datos de muchas misiones de la NASA y asociadas, incluido el telescopio de rayos X NICER en la Estación Espacial Internacional, el observatorio NuSTAR de la NASA e incluso la Voyager 1 en el espacio interestelar. Los artículos que describen los resultados presentados aparecen en un número de enfoque de The Astrophysical Journal Letters.
La señal de GRB 221009A había estado viajando durante aproximadamente 1.9 millones de años antes de llegar a la Tierra, lo que la convierte en una de las GRB “largas” más cercanas conocidas, cuya emisión inicial o inmediata dura más de dos segundos. Los astrónomos creen que estas explosiones representan los gritos de nacimiento de los agujeros negros formados cuando los núcleos de estrellas masivas colapsan bajo su propio peso. A medida que ingiere rápidamente la materia circundante, el agujero negro lanza chorros en direcciones opuestas que contienen partículas aceleradas a cerca de la velocidad de la luz. Estos chorros atraviesan la estrella, emitiendo rayos X y rayos gamma a medida que fluyen hacia el espacio.
Con este tipo de GRB, los astrónomos esperan encontrar una supernova brillante unas semanas más tarde, pero hasta ahora ha resultado difícil de alcanzar. Una razón es que el GRB apareció en una parte del cielo que está a solo unos pocos grados por encima del plano de nuestra propia galaxia, donde las gruesas nubes de polvo pueden atenuar en gran medida la luz entrante.
“No podemos decir de manera concluyente que haya una supernova, lo cual es sorprendente dado el brillo de la explosión”, dijo Andrew Levan, profesor de astrofísica en la Universidad de Radboud en Nijmegen, Países Bajos. Dado que las nubes de polvo se vuelven más transparentes en longitudes de onda infrarrojas, Levan dirigió observaciones en el infrarrojo cercano y medio utilizando el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, su primer uso para este tipo de estudio, así como el Telescopio Espacial Hubble para detectar la supernova. “Si está allí, es muy débil. Planeamos seguir buscando”, agregó, “pero es posible que toda la estrella colapsara directamente en el agujero negro en lugar de explotar”. Se planean observaciones adicionales de Webb y Hubble en los próximos meses.
A medida que los chorros continúan expandiéndose en el material que rodea a la estrella condenada, producen un resplandor de longitud de onda múltiple que se desvanece gradualmente.
Esta ilustración muestra los ingredientes de un estallido largo de rayos gamma, el tipo más común. El núcleo de una estrella masiva (izquierda) se ha derrumbado, formando un agujero negro que envía un chorro de partículas que se mueven a través de la estrella en colapso y hacia el espacio a casi la velocidad de la luz. La radiación en todo el espectro surge del gas ionizado caliente (plasma) en las proximidades del agujero negro recién nacido, colisiones entre conchas de gas de movimiento rápido dentro del chorro (ondas de choque internas) y del borde delantero del chorro a medida que barre e interactúa con su entorno (choque externo). Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
“Al estar tan cerca y tan brillante, esta explosión nos ofreció una oportunidad sin precedentes para recopilar observaciones del resplandor en todo el espectro electromagnético y probar qué tan bien nuestros modelos reflejan lo que realmente está sucediendo en los aviones GRB”, dijo Kate Alexander, profesora asistente en el departamento de astronomía de la Universidad de Arizona en Tucson. “Veinticinco años de modelos de resplandor que han funcionado muy bien no pueden explicar completamente este jet”, dijo. “En particular, encontramos un nuevo componente de radio que no entendemos completamente. Esto puede indicar una estructura adicional dentro del chorro o sugerir la necesidad de revisar nuestros modelos de cómo los chorros GRB interactúan con su entorno”.
Los chorros en sí no eran inusualmente potentes, pero eran excepcionalmente estrechos, al igual que el jet de una manguera de jardín, y uno apuntaba directamente a nosotros, explicó Alexander. Cuanto más cerca de un avión de frente, más brillante aparece. Aunque el resplandor fue inesperadamente tenue a las energías de radio, es probable que GRB 221009A permanezca detectable durante años, proporcionando una nueva oportunidad para rastrear el ciclo de vida completo de un poderoso jet.
La explosión también permitió a los astrónomos sondear nubes de polvo distantes en nuestra propia galaxia. A medida que los rayos X viajaban hacia nosotros, algunos de ellos se reflejaban en las capas de polvo, creando “ecos de luz” extendidos de la explosión inicial en forma de anillos de rayos X que se expandían desde la ubicación del estallido. El telescopio de rayos X en el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA descubrió la presencia de una serie de ecos. El seguimiento detallado del telescopio XMM-Newton de la ESA (Agencia Espacial Europea), junto con los datos de Swift, reveló que estos extraordinarios anillos fueron producidos por 21 nubes de polvo distintas.
“La forma en que las nubes de polvo dispersan los rayos X depende de sus distancias, los tamaños de los granos de polvo y las energías de rayos X”, explicó Sergio Campana, director de investigación del Observatorio de Brera y el Instituto Nacional de Astrofísica en Merate, Italia. “Pudimos usar los anillos para reconstruir parte de la emisión rápida de rayos X de la explosión y determinar en qué parte de nuestra galaxia se encuentran las nubes de polvo”.
Las imágenes de XMM-Newton registraron 20 anillos de polvo, 19 de los cuales se muestran aquí en colores arbitrarios. Este compuesto combina las observaciones realizadas dos y cinco días después de la erupción de GRB 221009A. Las rayas oscuras indican espacios entre los detectores. Un análisis detallado muestra que el anillo más ancho visible aquí, comparable al tamaño aparente de una luna llena, provino de nubes de polvo ubicadas a unos 1.300 años luz de distancia. El anillo más interno surgió del polvo a una distancia de 61.000 años luz, al otro lado de nuestra galaxia. GRB221009A es solo el séptimo estallido de rayos gamma que muestra anillos de rayos X, y triplica el número visto anteriormente alrededor de uno. Crédito: ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)
GRB 221009A es solo el séptimo estallido de rayos gamma que muestra anillos de rayos X, y triplica el número visto anteriormente alrededor de uno. Los ecos provenían del polvo situado entre 700 y 61.000 años luz de distancia. Los ecos más distantes, claros al otro lado de nuestra galaxia, la Vía Láctea, también estaban a 4.600 años luz sobre el plano central de la galaxia, donde reside el sistema solar.
Por último, la explosión ofrece la oportunidad de explorar una gran pregunta cósmica. “Pensamos en los agujeros negros como cosas que todo lo consumen, pero ¿también devuelven la energía al universo?”, Preguntó Michela Negro, astrofísica de la Universidad de Maryland, Condado de Baltimore, y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt.
Su equipo pudo sondear los anillos de polvo con el Imaging X-ray Polarimetry Explorer de la NASA para vislumbrar cómo se organizó la emisión rápida, lo que puede dar una idea de cómo se forman los chorros. Además, un pequeño grado de polarización observado en la fase de resplandor confirma que vimos el chorro casi directamente de frente.
Junto con mediciones similares que ahora están siendo estudiadas por un equipo que utiliza datos del observatorio INTEGRAL de la ESA, los científicos dicen que puede ser posible probar que los chorros del barco fueron impulsados aprovechando la energía de un campo magnético amplificado por el giro del agujero negro. Las predicciones basadas en tales modelos ya han explicado con éxito otros aspectos de esta explosión.
Imagen del banner: La Cámara de Campo Amplio 3 del Telescopio Espacial Hubble reveló el resplandor infrarrojo (en círculo) del BOAT GRB y su galaxia anfitriona, visto casi de canto como una astilla de luz que se extiende hasta la parte superior izquierda de la explosión. Esta composición incorpora imágenes tomadas el 8 de noviembre y el 4 de diciembre de 2022, uno y dos meses después de la erupción. Dado su brillo, el resplandor de la explosión puede permanecer detectable por los telescopios durante varios años. La imagen combina tres imágenes de infrarrojo cercano tomadas cada día en longitudes de onda de 1 a 1,5 micras. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Universidad de Radboud); Procesamiento de imágenes: Gladys Kober