Explosión de rayos gamma
En la astronomía de rayos gamma, los estallidos de rayos gamma (GRB) son explosiones inmensamente energéticas que se han observado en galaxias distantes. Son los eventos electromagnéticos más energéticos y luminosos desde el Big Bang. Las ráfagas pueden durar desde diez milisegundos hasta varias horas. Después de un destello inicial de rayos gamma, un "resplandor posterior" generalmente se emite en longitudes de onda más largas (rayos X, ultravioleta, óptica, infrarroja, microondas y radio).
Se cree que la intensa radiación de la mayoría de los GRB observados se libera durante una supernova o una supernova superluminosa cuando una estrella de gran masa implosiona para formar una estrella de neutrones o un agujero negro. Una subclase de GRB parece originarse a partir de la fusión de estrellas de neutrones binarias.
Las fuentes de la mayoría de los GRB están a miles de millones de años luz de distancia de la Tierra, lo que implica que las explosiones son extremadamente energéticas (un estallido típico libera tanta energía en unos pocos segundos como la que liberará el Sol en toda su vida útil de 10 000 millones de años).) y extremadamente raro (unos pocos por galaxia por millón de años). Todos los GRB observados se han originado fuera de la galaxia de la Vía Láctea, aunque una clase relacionada de fenómenos, los repetidores gamma suaves, están asociados con magnetares dentro de la Vía Láctea. Se ha planteado la hipótesis de que un estallido de rayos gamma en la Vía Láctea, apuntando directamente hacia la Tierra, podría causar un evento de extinción masiva.
Los GRB fueron detectados por primera vez en 1967 por los satélites Vela, que habían sido diseñados para detectar pruebas encubiertas de armas nucleares; después de un análisis exhaustivo, este se publicó en 1973. Tras su descubrimiento, se propusieron cientos de modelos teóricos para explicar estos estallidos, como las colisiones entre cometas y estrellas de neutrones. Se disponía de poca información para verificar estos modelos hasta la detección en 1997 de los primeros resplandores posteriores ópticos y de rayos X y la medición directa de sus desplazamientos al rojo mediante espectroscopia óptica y, por lo tanto, sus distancias y salidas de energía. Estos descubrimientos, y los estudios posteriores de las galaxias y supernovas asociadas con los estallidos, aclararon la distancia y la luminosidad de los GRB, ubicándolos definitivamente en galaxias distantes.
Historia
Los estallidos de rayos gamma se observaron por primera vez a fines de la década de 1960 con los satélites Vela de EE. UU., que se construyeron para detectar pulsos de radiación gamma emitidos por armas nucleares probadas en el espacio. Estados Unidos sospechaba que la Unión Soviética podría intentar realizar pruebas nucleares secretas después de firmar el Tratado de Prohibición de Pruebas Nucleares en 1963. El 2 de julio de 1967, a las 14:19 UTC, los satélites Vela 4 y Vela 3 detectaron un destello de radiación gamma. a diferencia de cualquier firma conocida de armas nucleares. Sin estar seguros de lo que había sucedido, pero sin considerar el asunto particularmente urgente, el equipo del Laboratorio Nacional de Los Álamos, dirigido por Ray Klebesadel, archivó los datos para su investigación. A medida que se lanzaron satélites Vela adicionales con mejores instrumentos, el equipo de Los Álamos continuó encontrando estallidos de rayos gamma inexplicables en sus datos. Al analizar los diferentes tiempos de llegada de las ráfagas detectadas por diferentes satélites, el equipo pudo determinar estimaciones aproximadas para las posiciones del cielo de 16 ráfagas y descartar definitivamente un origen terrestre o solar. Contrariamente a la creencia popular, los datos nunca fueron clasificados. Después de un análisis exhaustivo, los hallazgos se publicaron en 1973 como un artículo de Astrophysical Journal titulado 'Observaciones de estallidos de rayos gamma de origen cósmico'.
La mayoría de las primeras teorías de los estallidos de rayos gamma postularon fuentes cercanas dentro de la galaxia de la Vía Láctea. Desde 1991, el Observatorio de rayos gamma de Compton (CGRO) y su instrumento Explorador de fuentes transitorias y de ráfagas (BATSE), un detector de rayos gamma extremadamente sensible, proporcionaron datos que mostraban que la distribución de los GRB es isotrópica, sin sesgo hacia ninguna dirección en particular en el espacio.. Si las fuentes fueran del interior de nuestra propia galaxia, estarían fuertemente concentradas en o cerca del plano galáctico. La ausencia de tal patrón en el caso de los GRB proporcionó una fuerte evidencia de que los estallidos de rayos gamma deben provenir de más allá de la Vía Láctea. Sin embargo, algunos modelos de la Vía Láctea aún son consistentes con una distribución isotrópica.
Objetos de contrapartida como fuentes candidatas
Durante décadas después del descubrimiento de los GRB, los astrónomos buscaron una contraparte en otras longitudes de onda: es decir, cualquier objeto astronómico en coincidencia posicional con un estallido observado recientemente. Los astrónomos consideraron muchas clases distintas de objetos, incluidas enanas blancas, púlsares, supernovas, cúmulos globulares, cuásares, galaxias Seyfert y objetos BL Lac. Todas estas búsquedas resultaron infructuosas y, en algunos casos, se pudo demostrar claramente que las ráfagas particularmente bien localizadas (aquellas cuyas posiciones se determinaron con lo que entonces era un alto grado de precisión) no tenían objetos brillantes de ninguna naturaleza consistente con la posición derivada de los satélites detectores. Esto sugirió un origen de estrellas muy débiles o de galaxias extremadamente distantes. Incluso las posiciones más precisas contenían numerosas estrellas y galaxias tenues, y hubo un amplio acuerdo en que la resolución final de los orígenes de los estallidos cósmicos de rayos gamma requeriría nuevos satélites y una comunicación más rápida.
Resplandor
Varios modelos para el origen de los estallidos de rayos gamma postularon que el estallido inicial de rayos gamma debería ser seguido por un resplandor: emisión que se desvanece lentamente en longitudes de onda más largas creadas por colisiones entre la eyección del estallido y el gas interestelar. Las primeras búsquedas de este resplandor no tuvieron éxito, en gran parte porque es difícil observar la posición de un estallido en longitudes de onda más largas inmediatamente después del estallido inicial. El gran avance se produjo en febrero de 1997 cuando el satélite BeppoSAX detectó un estallido de rayos gamma (GRB 970228) y cuando la cámara de rayos X apuntó hacia la dirección en la que se había originado el estallido, detectó una emisión de rayos X que se desvanecía. El telescopio William Herschel identificó una contraparte óptica que se desvanecía 20 horas después del estallido. Una vez que el GRB se desvaneció, las imágenes profundas pudieron identificar una galaxia anfitriona distante y tenue en la ubicación del GRB según lo señalado por el resplandor óptico.
Debido a la luminosidad muy tenue de esta galaxia, no se midió su distancia exacta durante varios años. Mucho después de eso, se produjo otro gran avance con el siguiente evento registrado por BeppoSAX, GRB 970508. Este evento se localizó dentro de las cuatro horas posteriores a su descubrimiento, lo que permitió a los equipos de investigación comenzar a realizar observaciones mucho antes que cualquier explosión anterior. El espectro del objeto reveló un corrimiento al rojo de z = 0,835, lo que colocó el estallido a una distancia de aproximadamente 6 000 millones de años luz de la Tierra. Esta fue la primera determinación precisa de la distancia a un GRB y, junto con el descubrimiento de la galaxia anfitriona de 970228, demostró que los GRB se encuentran en galaxias extremadamente distantes. En unos pocos meses, terminó la controversia sobre la escala de distancias: los GRB fueron eventos extragalácticos que se originaron dentro de galaxias débiles a enormes distancias. Al año siguiente, GRB 980425 fue seguido en un día por una supernova brillante (SN 1998bw), de ubicación coincidente, lo que indica una clara conexión entre los GRB y la muerte de estrellas muy masivas. Este estallido proporcionó la primera pista sólida sobre la naturaleza de los sistemas que producen GRB.
Instrumentos más recientes
BeppoSAX funcionó hasta 2002 y CGRO (con BATSE) fue retirado de órbita en 2000. Sin embargo, la revolución en el estudio de los estallidos de rayos gamma motivó el desarrollo de una serie de instrumentos adicionales diseñados específicamente para explorar la naturaleza de los GRB, especialmente en los primeros momentos después de la explosión. La primera misión de este tipo, HETE-2, se lanzó en 2000 y funcionó hasta 2006, proporcionando la mayoría de los principales descubrimientos durante este período. Una de las misiones espaciales más exitosas hasta la fecha, Swift, se lanzó en 2004 y en enero de 2023 sigue operativa. Swift está equipado con un detector de rayos gamma muy sensible, así como con telescopios ópticos y de rayos X a bordo, que se pueden girar rápida y automáticamente para observar la emisión de resplandor después de un estallido. Más recientemente, se lanzó la misión Fermi con el monitor de ráfagas de rayos gamma, que detecta ráfagas a un ritmo de varios cientos por año, algunas de las cuales son lo suficientemente brillantes como para ser observadas a energías extremadamente altas con el telescopio de área grande de Fermi.. Mientras tanto, en tierra, se han construido o modificado numerosos telescopios ópticos para incorporar un software de control robótico que responde inmediatamente a las señales enviadas a través de la Red de coordenadas de ráfagas de rayos gamma. Esto permite que los telescopios vuelvan a apuntar rápidamente hacia un GRB, a menudo segundos después de recibir la señal y mientras la emisión de rayos gamma todavía está en curso.
Los nuevos desarrollos desde la década de 2000 incluyen el reconocimiento de estallidos cortos de rayos gamma como una clase separada (probablemente de la fusión de estrellas de neutrones y no asociados con supernovas), el descubrimiento de actividad extendida y errática de destellos en longitudes de onda de rayos X que duran muchos minutos después de la mayoría de los GRB, y el descubrimiento de los objetos más luminosos (GRB 080319B) y los más lejanos (GRB 090423) del universo. El GRB conocido más distante, GRB 090429B, es ahora el objeto conocido más distante del universo.
En octubre de 2018, los astrónomos informaron que GRB 150101B (detectado en 2015) y GW170817, un evento de onda gravitacional detectado en 2017 (que se asoció con GRB170817A, un estallido detectado 1,7 segundos después), pueden haber sido producidos por el mismo mecanismo: la fusión de dos estrellas de neutrones. Las similitudes entre los dos eventos, en términos de emisiones de rayos gamma, ópticos y de rayos X, así como en la naturaleza de las galaxias anfitrionas asociadas, son 'sorprendentes', lo que sugiere que los dos eventos separados pueden ambos ser el resultado de la fusión de estrellas de neutrones, y ambas pueden ser una kilonova, que puede ser más común en el universo de lo que se creía anteriormente, según los investigadores.
La luz de mayor energía observada de un estallido de rayos gamma fue de un teraelectronvoltio, de GRB 190114C en 2019. (Tenga en cuenta que esta es una energía aproximadamente mil veces menor que la luz de mayor energía observada de cualquier fuente, que es de 1,4 petaelectronvoltios como del año 2021.)
Clasificación
Las curvas de luz de los estallidos de rayos gamma son extremadamente diversas y complejas. No hay dos curvas de luz de explosión de rayos gamma que sean idénticas, y se observa una gran variación en casi todas las propiedades: la duración de la emisión observable puede variar de milisegundos a decenas de minutos, puede haber un solo pico o varios subpulsos individuales, y los picos individuales pueden ser simétrico o con rápido brillo y muy lento desvanecimiento. Algunas ráfagas están precedidas por un "precursor" evento, una ráfaga débil que luego es seguida (después de segundos o minutos sin ninguna emisión) por el mucho más intenso "verdadero" episodio de explosión. Las curvas de luz de algunos eventos tienen perfiles extremadamente caóticos y complicados, casi sin patrones perceptibles.
Aunque algunas curvas de luz pueden reproducirse de manera aproximada utilizando ciertos modelos simplificados, se ha avanzado poco en la comprensión de la diversidad total observada. Se han propuesto muchos esquemas de clasificación, pero a menudo se basan únicamente en las diferencias en la apariencia de las curvas de luz y es posible que no siempre reflejen una verdadera diferencia física en los progenitores de las explosiones. Sin embargo, los gráficos de la distribución de la duración observada para una gran cantidad de estallidos de rayos gamma muestran una clara bimodalidad, lo que sugiere la existencia de dos poblaciones separadas: una "corta" población con una duración media de unos 0,3 segundos y un "largo" población con una duración media de unos 30 segundos. Ambas distribuciones son muy amplias con una región de superposición significativa en la que la identidad de un evento dado no está clara solo por la duración. Se han propuesto clases adicionales más allá de este sistema de dos niveles tanto por motivos de observación como teóricos.
Estallidos cortos de rayos gamma
Los eventos con una duración de menos de dos segundos se clasifican como estallidos cortos de rayos gamma. Estos representan aproximadamente el 30% de los estallidos de rayos gamma, pero hasta 2005, no se había detectado con éxito ningún resplandor residual de ningún evento breve y se sabía poco sobre sus orígenes. Desde entonces, se han detectado y localizado varias docenas de destellos de rayos gamma cortos, varios de los cuales están asociados con regiones de poca o ninguna formación estelar, como las grandes galaxias elípticas. Esto descarta un vínculo con estrellas masivas, lo que confirma que los eventos cortos son físicamente distintos de los eventos largos. Además, no ha habido asociación con supernovas.
Al principio se desconocía la verdadera naturaleza de estos objetos y la principal hipótesis era que se originaron a partir de la fusión de estrellas de neutrones binarias o de una estrella de neutrones con un agujero negro. Se teorizó que tales fusiones producían kilonovas, y se observó evidencia de una kilonova asociada con GRB 130603B. La duración media de estos eventos de 0,2 segundos sugiere (debido a la causalidad) una fuente de diámetro físico muy pequeño en términos estelares; menos de 0,2 segundos luz (alrededor de 60 000 km o 37 000 millas, cuatro veces el diámetro de la Tierra). La observación de minutos a horas de destellos de rayos X después de un breve estallido de rayos gamma es consistente con pequeñas partículas de un objeto primario como una estrella de neutrones inicialmente tragada por un agujero negro en menos de dos segundos, seguidas por algunas horas de menor energía. eventos, ya que los fragmentos restantes de material de estrella de neutrones interrumpidos por mareas (ya no neutronio) permanecen en órbita para entrar en espiral en el agujero negro, durante un período de tiempo más largo. Una pequeña fracción de los estallidos cortos de rayos gamma son probablemente producidos por destellos gigantes de repetidores gamma suaves en galaxias cercanas.
El origen de los GRB cortos en las kilonovas se confirmó cuando se detectó el GRB 170817A corto solo 1,7 s después de la detección de la onda gravitacional GW170817, que era una señal de la fusión de dos estrellas de neutrones.
Estallidos largos de rayos gamma
La mayoría de los eventos observados (70 %) tienen una duración de más de dos segundos y se clasifican como estallidos largos de rayos gamma. Debido a que estos eventos constituyen la mayoría de la población y tienden a tener los resplandores posteriores más brillantes, se han observado con mucho más detalle que sus contrapartes breves. Casi todos los estallidos largos de rayos gamma bien estudiados se han relacionado con una galaxia con una formación estelar rápida y, en muchos casos, también con una supernova de colapso del núcleo, asociando inequívocamente los GRB largos con la muerte de estrellas masivas. Las observaciones prolongadas del resplandor posterior de GRB, con un alto desplazamiento al rojo, también son consistentes con que el GRB se haya originado en regiones de formación estelar. En diciembre de 2022, los astrónomos reportaron la primera evidencia de un GRB largo producido por una fusión de estrellas de neutrones.
Estallidos de rayos gamma ultralargos
Estos eventos se encuentran al final de la distribución de duración larga de GRB, con una duración de más de 10 000 segundos. Se ha propuesto que formen una clase separada, causada por el colapso de una estrella supergigante azul, un evento de interrupción de marea o una magnetar recién nacida. Solo un pequeño número ha sido identificado hasta la fecha, siendo su principal característica la duración de su emisión de rayos gamma. Los eventos ultralargos más estudiados incluyen GRB 101225A y GRB 111209A. La baja tasa de detección puede ser el resultado de la baja sensibilidad de los detectores de corriente a los eventos de larga duración, más que un reflejo de su verdadera frecuencia. Un estudio de 2013, por otro lado, muestra que la evidencia existente para una población de GRB ultralarga separada con un nuevo tipo de progenitor no es concluyente, y se necesitan más observaciones de múltiples longitudes de onda para llegar a una conclusión más firme.
Energética y radiante
Los estallidos de rayos gamma son muy brillantes cuando se observan desde la Tierra a pesar de sus distancias típicamente inmensas. Un GRB largo promedio tiene un flujo bolométrico comparable a una estrella brillante de nuestra galaxia a pesar de una distancia de miles de millones de años luz (en comparación con unas pocas decenas de años luz para la mayoría de las estrellas visibles). La mayor parte de esta energía se libera en forma de rayos gamma, aunque algunos GRB también tienen equivalentes ópticos extremadamente luminosos. GRB 080319B, por ejemplo, estuvo acompañado por una contraparte óptica que alcanzó una magnitud visible de 5,8, comparable a la de las estrellas más tenues a simple vista a pesar de la distancia del estallido de 7.500 millones de años luz. Esta combinación de brillo y distancia implica una fuente extremadamente energética. Suponiendo que la explosión de rayos gamma sea esférica, la producción de energía de GRB 080319B estaría dentro de un factor de dos de la energía de masa en reposo del Sol (la energía que se liberaría si el Sol se convirtiera completamente en radiación).
Se cree que los estallidos de rayos gamma son explosiones altamente enfocadas, con la mayor parte de la energía de la explosión colimada en un chorro estrecho. El ancho angular aproximado del chorro (es decir, el grado de dispersión del haz) se puede estimar directamente observando las "roturas de chorro" en curvas de luz de resplandor posterior: un tiempo después del cual el resplandor posterior que decae lentamente comienza a desvanecerse rápidamente a medida que el chorro se ralentiza y ya no puede emitir su radiación con tanta eficacia. Las observaciones sugieren una variación significativa en el ángulo del chorro de entre 2 y 20 grados.
Debido a que su energía está fuertemente enfocada, se espera que los rayos gamma emitidos por la mayoría de los estallidos no alcancen la Tierra y nunca se detecten. Cuando un estallido de rayos gamma apunta hacia la Tierra, el enfoque de su energía a lo largo de un haz relativamente estrecho hace que el estallido parezca mucho más brillante de lo que habría sido si su energía se emitiera de forma esférica. Cuando se tiene en cuenta este efecto, se observa que los estallidos típicos de rayos gamma tienen una liberación de energía real de aproximadamente 1044 J, o aproximadamente 1/2000 de una masa solar (M☉) equivalente de energía: que sigue siendo muchas veces el equivalente de masa-energía de la Tierra (alrededor de 5,5 × 1041 J). Esto es comparable a la energía liberada en una supernova brillante de tipo Ib/c y dentro del rango de los modelos teóricos. Se han observado supernovas muy brillantes que acompañan a varios de los GRB más cercanos. Las observaciones de fuertes asimetrías en los espectros de las supernovas cercanas de tipo Ic y las observaciones de radio tomadas mucho después de las ráfagas, cuando sus chorros ya no son relativistas, han brindado apoyo adicional para enfocar la salida de los GRB.
Los GRB cortos (duración de tiempo) parecen provenir de una población con menor corrimiento al rojo (es decir, menos distante) y son menos luminosos que los GRB largos. El grado de radiación en ráfagas cortas no se ha medido con precisión, pero como población es probable que estén menos colimados que los GRB largos o posiblemente no colimados en absoluto en algunos casos.
Progenitores
Debido a las inmensas distancias de la mayoría de las fuentes de estallidos de rayos gamma desde la Tierra, la identificación de los progenitores, los sistemas que producen estas explosiones, es un desafío. La asociación de algunos GRB largos con supernovas y el hecho de que sus galaxias anfitrionas están formando estrellas rápidamente ofrecen pruebas muy sólidas de que los estallidos largos de rayos gamma están asociados con estrellas masivas. El mecanismo más ampliamente aceptado para el origen de los GRB de larga duración es el modelo colapsar, en el que el núcleo de una estrella extremadamente masiva, de baja metalicidad y que gira rápidamente se colapsa en un agujero negro en las etapas finales de su evolución. La materia cerca del núcleo de la estrella llueve hacia el centro y se arremolina en un disco de acreción de alta densidad. La caída de este material en un agujero negro impulsa un par de chorros relativistas a lo largo del eje de rotación, que atraviesan la envoltura estelar y finalmente atraviesan la superficie estelar e irradian como rayos gamma. Algunos modelos alternativos reemplazan el agujero negro con una magnetar recién formada, aunque la mayoría de los demás aspectos del modelo (el colapso del núcleo de una estrella masiva y la formación de chorros relativistas) son iguales.
Los análogos más cercanos dentro de la galaxia de la Vía Láctea de las estrellas que producen estallidos largos de rayos gamma son probablemente las estrellas Wolf-Rayet, estrellas extremadamente calientes y masivas, que se han desprendido de la mayor parte o la totalidad de su envoltura de hidrógeno. Eta Carinae, Apep y WR 104 han sido citados como posibles futuros progenitores de estallidos de rayos gamma. No está claro si alguna estrella de la Vía Láctea tiene las características adecuadas para producir un estallido de rayos gamma.
El modelo de estrella masiva probablemente no explica todos los tipos de estallidos de rayos gamma. Existe una fuerte evidencia de que algunos estallidos de rayos gamma de corta duración ocurren en sistemas sin formación estelar y sin estrellas masivas, como las galaxias elípticas y los halos de galaxias. La teoría preferida para el origen de la mayoría de los estallidos cortos de rayos gamma es la fusión de un sistema binario que consta de dos estrellas de neutrones. De acuerdo con este modelo, las dos estrellas en un binario giran lentamente en espiral una hacia la otra porque la radiación gravitatoria libera energía hasta que las fuerzas de las mareas desgarran repentinamente las estrellas de neutrones y colapsan en un solo agujero negro. La entrada de materia en el nuevo agujero negro produce un disco de acreción y libera una ráfaga de energía, análoga al modelo colapsar. También se han propuesto muchos otros modelos para explicar los estallidos cortos de rayos gamma, incluida la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, el colapso inducido por acreción de una estrella de neutrones o la evaporación de agujeros negros primordiales.
Una explicación alternativa propuesta por Friedwardt Winterberg es que en el curso de un colapso gravitacional y al alcanzar el horizonte de sucesos de un agujero negro, toda la materia se desintegra en un estallido de radiación gamma.
Eventos de interrupción de mareas
Esta nueva clase de eventos similares a GRB se descubrió por primera vez a través de la detección de GRB 110328A por la Swift Gamma-Ray Burst Mission el 28 de marzo de 2011. Este evento tuvo una duración de rayos gamma de aproximadamente 2 días, mucho más que incluso GRB ultralargos, y se detectó en rayos X durante muchos meses. Ocurrió en el centro de una pequeña galaxia elíptica con corrimiento al rojo z = 0.3534. Existe un debate en curso sobre si la explosión fue el resultado del colapso estelar o un evento de interrupción de las mareas acompañado de un chorro relativista, aunque la última explicación se ha vuelto ampliamente favorecida.
Un evento de interrupción de las mareas de este tipo se produce cuando una estrella interactúa con un agujero negro supermasivo, triturando la estrella y, en algunos casos, creando un chorro relativista que produce una emisión brillante de radiación de rayos gamma. Inicialmente se argumentó que el evento GRB 110328A (también denominado Swift J1644+57) fue producido por la interrupción de una estrella de secuencia principal por un agujero negro de varios millones de veces la masa del Sol, aunque posteriormente se argumentó que la interrupción de una enana blanca por un agujero negro de una masa de unas 10 mil veces la del Sol puede ser más probable.
Mecanismos de emisión
La forma en que los estallidos de rayos gamma convierten la energía en radiación sigue sin comprenderse bien y, en 2010, aún no había un modelo generalmente aceptado sobre cómo ocurre este proceso. Cualquier modelo exitoso de emisión de GRB debe explicar el proceso físico para generar una emisión de rayos gamma que coincida con la diversidad observada de curvas de luz, espectros y otras características. Particularmente desafiante es la necesidad de explicar las muy altas eficiencias que se infieren de algunas explosiones: algunos estallidos de rayos gamma pueden convertir hasta la mitad (o más) de la energía de la explosión en rayos gamma. Las primeras observaciones de las contrapartes ópticas brillantes de GRB 990123 y GRB 080319B, cuyas curvas de luz óptica eran extrapolaciones de los espectros de luz de rayos gamma, han sugerido que la dispersión Compton inversa puede ser el proceso dominante en algunos eventos. En este modelo, los fotones de baja energía preexistentes son dispersados por electrones relativistas dentro de la explosión, aumentando su energía en gran medida y transformándolos en rayos gamma.
Se comprende mejor la naturaleza de la emisión de resplandor residual de longitud de onda más larga (desde rayos X hasta radio) que sigue a los estallidos de rayos gamma. Cualquier energía liberada por la explosión que no se irradió en el estallido mismo toma la forma de materia o energía que se mueve hacia afuera a casi la velocidad de la luz. A medida que esta materia choca con el gas interestelar circundante, crea una onda de choque relativista que luego se propaga hacia el espacio interestelar. Una segunda onda de choque, el choque inverso, puede propagarse hacia la materia expulsada. Los electrones extremadamente energéticos dentro de la onda de choque son acelerados por fuertes campos magnéticos locales e irradian como emisión de sincrotrón en la mayor parte del espectro electromagnético. En general, este modelo ha tenido éxito en modelar el comportamiento de muchos resplandores posteriores observados en momentos tardíos (generalmente, horas o días después de la explosión), aunque existen dificultades para explicar todas las características del resplandor muy poco tiempo después de que se haya producido el estallido de rayos gamma.
Tasa de ocurrencia y efectos potenciales sobre la vida
Los estallidos de rayos gamma pueden tener efectos dañinos o destructivos para la vida. Considerando el universo como un todo, los entornos más seguros para la vida similares a los de la Tierra son las regiones de menor densidad en las afueras de las grandes galaxias. Nuestro conocimiento de los tipos de galaxias y su distribución sugiere que la vida tal como la conocemos solo puede existir en aproximadamente el 10% de todas las galaxias. Además, las galaxias con un desplazamiento al rojo, z, superior a 0,5 no son adecuadas para la vida tal como la conocemos, debido a su mayor tasa de GRB y su compacidad estelar.
Todos los GRB observados hasta la fecha se han producido fuera de la galaxia de la Vía Láctea y han sido inofensivos para la Tierra. Sin embargo, si ocurriera un GRB dentro de la Vía Láctea dentro de los 5000 a 8000 años luz y su emisión fuera dirigida directamente hacia la Tierra, los efectos podrían ser dañinos y potencialmente devastadores para sus ecosistemas. Actualmente, los satélites en órbita detectan en promedio aproximadamente un GRB por día. El GRB más cercano observado en marzo de 2014 fue GRB 980425, ubicado a 40 megaparsecs (130 000 000 ly) de distancia (z = 0,0085) en una galaxia enana de tipo SBc. GRB 980425 era mucho menos energético que el GRB promedio y estaba asociado con la supernova Tipo Ib SN 1998bw.
Es difícil estimar la tasa exacta a la que se producen los GRB; para una galaxia de aproximadamente el mismo tamaño que la Vía Láctea, las estimaciones de la tasa esperada (para GRB de larga duración) pueden oscilar entre un estallido cada 10.000 años y un estallido cada 1.000.000 de años. Solo un pequeño porcentaje de estos serían enviados hacia la Tierra. Las estimaciones de la tasa de aparición de GRB de corta duración son aún más inciertas debido al grado desconocido de colimación, pero probablemente sean comparables.
Dado que se cree que los GRB implican la emisión de haces a lo largo de dos chorros en direcciones opuestas, solo los planetas en el camino de estos chorros estarían sujetos a la radiación gamma de alta energía.
Aunque los GRB cercanos que golpean la Tierra con una lluvia destructiva de rayos gamma son solo eventos hipotéticos, se ha observado que los procesos de alta energía en toda la galaxia afectan la atmósfera de la Tierra.
Efectos en la Tierra
La atmósfera de la Tierra es muy eficaz para absorber la radiación electromagnética de alta energía, como los rayos X y los rayos gamma, por lo que estos tipos de radiación no alcanzarían niveles peligrosos en la superficie durante el evento de explosión en sí. El efecto inmediato sobre la vida en la Tierra de un GRB dentro de unos pocos kiloparsecs sería solo un breve aumento en la radiación ultravioleta a nivel del suelo, con una duración de menos de un segundo a decenas de segundos. Esta radiación ultravioleta podría alcanzar potencialmente niveles peligrosos dependiendo de la naturaleza exacta y la distancia del estallido, pero parece poco probable que pueda causar una catástrofe global para la vida en la Tierra.
Los efectos a largo plazo de una explosión cercana son más peligrosos. Los rayos gamma provocan reacciones químicas en la atmósfera que involucran moléculas de oxígeno y nitrógeno, creando primero óxido de nitrógeno y luego gas dióxido de nitrógeno. Los óxidos de nitrógeno provocan efectos peligrosos en tres niveles. Primero, agotan el ozono, con modelos que muestran una posible reducción global del 25 al 35%, con hasta un 75% en ciertos lugares, un efecto que duraría años. Esta reducción es suficiente para causar un índice UV peligrosamente elevado en la superficie. En segundo lugar, los óxidos de nitrógeno provocan smog fotoquímico, que oscurece el cielo y bloquea partes del espectro de la luz solar. Esto afectaría la fotosíntesis, pero los modelos muestran solo una reducción del 1% del espectro total de la luz solar, que dura unos pocos años. Sin embargo, el smog podría potencialmente causar un efecto de enfriamiento en el clima de la Tierra, produciendo un 'invierno cósmico'. (similar a un impacto de invierno, pero sin impacto), pero solo si ocurre simultáneamente con una inestabilidad climática global. En tercer lugar, los niveles elevados de dióxido de nitrógeno en la atmósfera se lavarían y producirían lluvia ácida. El ácido nítrico es tóxico para una variedad de organismos, incluida la vida de los anfibios, pero los modelos predicen que no alcanzaría niveles que causaran un efecto global grave. De hecho, los nitratos podrían ser beneficiosos para algunas plantas.
En general, un GRB dentro de unos pocos kiloparsecs, con su energía dirigida hacia la Tierra, dañará principalmente la vida al elevar los niveles de UV durante la explosión y durante algunos años después. Los modelos muestran que los efectos destructivos de este aumento pueden causar hasta 16 veces los niveles normales de daño en el ADN. Ha resultado difícil realizar una evaluación fiable de las consecuencias de esto en el ecosistema terrestre, debido a la incertidumbre en los datos biológicos de campo y laboratorio.
Efectos hipotéticos en la Tierra en el pasado
Existe una gran posibilidad (pero no certeza) de que al menos un GRB letal haya tenido lugar durante los últimos 5.000 millones de años lo suficientemente cerca de la Tierra como para dañar significativamente la vida. Hay un 50% de posibilidades de que un GRB tan letal haya tenido lugar dentro de los dos kiloparsecs de la Tierra durante los últimos 500 millones de años, causando uno de los principales eventos de extinción masiva.
La gran extinción del Ordovícico-Silúrico de hace 450 millones de años puede haber sido causada por un GRB. Las estimaciones sugieren que aproximadamente del 20 al 60% de la biomasa total de fitoplancton en los océanos del Ordovícico habría perecido en un GRB, porque los océanos eran en su mayoría oligotróficos y claros. Las especies de trilobites del Ordovícico tardío que pasaron parte de su vida en la capa de plancton cerca de la superficie del océano fueron mucho más afectadas que los habitantes de aguas profundas, que tendían a permanecer dentro de áreas bastante restringidas. Esto contrasta con el patrón habitual de eventos de extinción, en el que las especies con poblaciones más extendidas suelen tener mejores resultados. Una posible explicación es que los trilobites que permanecen en aguas profundas estarían más protegidos del aumento de la radiación ultravioleta asociada con un GRB. También apoya esta hipótesis el hecho de que durante el Ordovícico tardío, las especies de bivalvos excavadores tenían menos probabilidades de extinguirse que los bivalvos que vivían en la superficie.
Se ha argumentado que el pico de carbono 14 de 774–775 fue el resultado de un GRB corto, aunque otra posibilidad es una llamarada solar muy fuerte.
Candidatas a GRB en la Vía Láctea
(feminine)
No se han observado brotes de rayos gamma desde el interior de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, y la cuestión de si ha ocurrido alguna vez sigue sin resolverse. A la luz de la evolución de la comprensión de los estallidos de rayos gamma y sus progenitores, la literatura científica registra un número creciente de candidatos GRB locales, pasados y futuros. Los GRB de larga duración están relacionados con supernovas superluminosas o hipernovas, y se cree que la mayoría de las variables azules luminosas (LBV) y las estrellas Wolf-Rayet que giran rápidamente terminan sus ciclos de vida en supernovas de colapso del núcleo con un GRB de larga duración asociado. Sin embargo, el conocimiento de los GRB proviene de galaxias pobres en metales de épocas anteriores de la evolución del universo, y es imposible extrapolar directamente para abarcar galaxias más evolucionadas y entornos estelares con una mayor metalicidad, como la Vía Láctea.
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Enciclopedia Astronáutica
Meteorito
STS-51-F