Región del cielo donde apareció la fuente explosiva de rayos gamma GRB 211211A (cuya ubicación se indica con una circunferencia roja), en una imagen captada por el telescopio espacial Hubble. El estallido se asocia a la galaxia espiral barrada que aparece encima y a la izquierda de la marca, situada a unos 1100 millones de años luz, en la constelación del Boyero. [NASA, ESA, Rastinejad et al. (2022) y Gladys Kober (Universidad Católica de América)]
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Un estallido de rayos gamma trastoca la clasificación de esos fenómenos extremos

Los estallidos de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) constituyeron uno de los misterios astrofísicos más desconcertantes del cambio de siglo. Se descubrieron desde el espacio, porque la atmósfera es opaca a los rayos X y gamma producidos a raudales en esos fenómenos violentos. Tras décadas de grandes avances, se conoce ya mucho sobre los procesos implicados, pero, como ocurre siempre en la ciencia de vanguardia, el universo todavía guarda sorpresas en la chistera.

El descubrimiento de esos estallidos llegó gracias a satélites artificiales diseñados para vigilar las explosiones nucleares en la superficie terrestre. Se trata de descargas de rayos gamma intensas y fugaces, que duran desde unas milésimas de segundo hasta unos mil segundos. Las duraciones pueden adoptar cualquier valor en ese intervalo, pero se acumulan en torno a dos: tres décimas de segundo, por un lado, y unos veinte segundos, por el otro. De ahí la distinción entre GRB breves y largos, con una frontera difusa entre ellos que se suele situar en el umbral de los dos segundos.

La ciencia de las fuentes explosivas de rayos gamma se benefició de la astronomía multibanda, que consiste en analizar un mismo fenómeno en el intervalo más amplio posible de longitudes de onda. De este modo, y con un gran esfuerzo observacional y tecnológico, se logró identificar las primeras fuentes emisoras de luz visible e infrarroja correspondientes a estas explosiones de alta energía. Y la radioastronomía también ha aportado datos útiles. Con el tiempo surgió una visión aparentemente clara, que asignaba cada una de las dos poblaciones de GRB, la larga y la breve, a procesos astrofísicos muy diferentes, aunque con algo en común: todos son de naturaleza extragaláctica, es decir, que se producen fuera de nuestra Galaxia y, con frecuencia, en galaxias muy muy lejanas.

Los GRB largos se atribuían a las explosiones más extremas de estrellas aisladas, supernovas tan superlativas que han merecido el nombre particular de hipernovas. En una hipernova, una estrella descomunal se colapsa y forma un agujero negro sobre el que se precipita el resto de la masa estelar. Eso desencadena la producción de dos chorros opuestos de materia y radiación, responsables de la emisión de rayos gamma. Este modelo a veces recibe el nombre alternativo de «colápsar», que establece un paralelismo morfológico con nombres como cuásar, púlsar o blázar, aunque no guarde relación con ninguno de estos otros fenómenos extremos.

En cambio, los estallidos de rayos gamma breves se vinculaban con la coalescencia de objetos compactos binarios, siempre con (al menos) una estrella de neutrones implicada. Estos sucesos tienden a ser menos intensos que los largos y se suelen completar en fracciones de segundo. Los GRB por fusión de astros compactos van seguidos de una emisión de luz visible llamada quilonova, debida a la desintegración radiactiva de los elementos químicos pesados producidos en el proceso y que terminan expulsados al espacio interestelar.

Imagen de la fuente explosiva de rayos gamma GRB 211211A captada por el telescopio Gemini Norte de Hawái, superpuesta a una toma del mismo campo de visión obtenida por el telescopio espacial Hubble. El punto rojo corresponde a la quilonova asociada al estallido gamma. [Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani; NASA/ESA]
Sin embargo, durante los últimos años han aparecido indicios de que esa dicotomía es imperfecta, al detectarse casos sospechosos tanto de colápsares breves como de fusiones largas. La fuente explosiva de rayos gamma denominada GRB 211211A constituye el caso más extremo de estallido largo debido de manera inequívoca a un proceso de coalescencia, y no a una hipernova. El nombre de esta fuente indica que fue el primer estallido (de ahí la «A») de rayos gamma detectado el día 11 de diciembre de 2021. La emisión de alta energía se prolongó durante 51 segundos.

Ese suceso fue tan excepcional que ha sido analizado durante todo un año por equipos de investigación de todo el mundo y mediante todas las técnicas posibles. Ese trabajo acaba de culminar con la publicación de cuatro artículos simultáneos, tres en la revista Nature (1, 2 y 3) y otro en el boletín asociado Nature Astronomy, aunque la producción científica sobre este objeto cuenta ya con decenas de referencias a las que, sin duda, se añadirán más en el futuro cercano. El análisis de GRB 122111A demuestra que ya no se puede distinguir entre fusiones y colapsos tan solo a partir de la duración de los estallidos de rayos gamma. Ahora hay que considerar múltiples variables, como las características detalladas de la señal, la posible detección óptica de la quilonova posterior o las propiedades de la galaxia huésped.

Las fusiones de objetos compactos dan lugar a patrones complejos de emisión de rayos gamma. La curva de luz, es decir, la representación del brillo en función del tiempo, puede constar de hasta tres partes: pulso precursor, emisión principal y emisión extendida. Cada una de ellas presenta sus propios rasgos característicos, relacionados con distintas etapas del proceso de coalescencia. Además, la emisión de luz visible en la quilonova subsiguiente muestra también peculiaridades que solo pueden explicarse a través de la fusión de objetos compactos. GRB 211211A se produjo relativamente cerca, a «tan solo» 1100 millones de años luz de la Tierra, lo que le confirió un brillo aparente considerable. Y esto, unido a su duración excepcional, ha permitido observar de manera muy clara todos los rasgos distintivos de los GRB debidos a fusiones. Así pues, este suceso puede convertirse en el arquetipo de referencia para identificar otros similares acaecidos en el pasado o, sobre todo, que ocurran a partir de ahora.

Intensidad de la radiación gamma detectada por los satélites artificiales Fermi (arriba) y Swift (abajo) procedente de la fuente explosiva de rayos gamma GRB 211211A. Las cuentas por segundo no coinciden en ambos satélites debido a su diferente sensibilidad pero, sobre todo, a que trabajan en intervalos de frecuencias distintas. Los colores codifican las tres fases del fenómeno: el pulso precursor (verde), la emisión principal (naranja) y la emisión extendida (rojo), que en realidad se prolonga por la derecha de la gráfica hasta unos 50 segundos tras el disparo de la alerta. [Elaborado a partir de «The case for a minute-long merger-driven gamma-ray burst from fast-cooling synchrotron emission». Benjamin P. Gompertz et al. en Nature Astronomy, 7 de diciembre de 2022.]
Dos estudios publicados en mayo y julio de 2022 proponían un modelo de «barrera magnética» para explicar la duración inusualmente larga de esta fusión. Según esta hipótesis, tanto la fase de emisión principal como la extendida se prolongarían si la caída de material se viera frenada por un campo magnético lo bastante intenso. En el campo de la evolución estelar, se recurre constantemente al clásico equilibrio entre la tendencia al colapso causada por la gravedad y la fuerza hacia fuera ejercida por las reacciones nucleares. Pero aquí tenemos un ejemplo en el que el colapso puede verse retardado, o incluso detenido, por un campo magnético formidable.

Parece posible que la fusión involucrara una estrella de neutrones con un campo magnético anormalmente elevado, mientras que el otro objeto compacto podría haber sido una enana blanca. (Siguiendo la serie de términos formada por púlsar, cuásar, blázar y colápsar, este tipo de estrella de neutrones magnetizada recibe el nombre de magnétar). La señal precursora del GRB se atribuye a una fulguración catastrófica desencadenada por la rotura de la corteza del magnetar, que en este caso contaría con un campo magnético de cincuenta mil millones de teslas, unos mil billones de veces más intenso que el campo magnético terrestre. Esta rotura de la corteza precedería en 0.2 segundos al inicio de la coalescencia, lo que explica la separación entre la señal precursora y la emisión principal.

En el análisis de este fenómeno han participado instrumentos espaciales como los satélites de altas energías Fermi, Swift e Insight, pero también el telescopio espacial Hubble en luz visible. Desde el suelo, se han realizado observaciones mediante radiotelescopios, y también con telescopios que trabajan en luz visible y en el infrarrojo. En los equipos de investigación han trabajado diversos científicos españoles (algunos de ellos desde instituciones de otros países), y España ha aportado recursos observacionales de los observatorios de La Palma y Calar Alto, que se suman al abanico enorme de instrumentos utilizados en ambos hemisferios del planeta.

En esta aventura solo ha faltado la componente multimensajero: varios grupos de investigación han lamentado que ningún observatorio de ondas gravitatorias estuviera activo cuando se produjo el estallido, por hallarse todos en parada por mantenimiento o mejoras. Hace años, la incorporación de datos de ondas gravitatorias fue crucial en el estudio de la fuente explosiva de rayos gamma GRB 170817A. Para GRB 211211A, tanto la detección de una señal gravitatoria como la ausencia de ella habrían aportado datos útiles para mejorar los modelos. Sin lugar a dudas, la radiación gravitatoria procedente de estallidos gamma por fusión constituirá un punto clave de este campo en el futuro inmediato.

En lo que respecta a la comunidad investigadora, el estudio de GRB 211211A ha supuesto un esfuerzo colaborativo muy tecnificado, en el que equipos humanos de países y especialidades diferentes han compuesto un rompecabezas poliédrico de publicaciones científicas muy variadas. A la vez, este episodio pone de manifiesto los aspectos sociológicos de la comunicación de la ciencia a la población general. A pesar de que los expertos llevan todo un año trabajando y publicando sobre este estallido de rayos gamma, el interés mediático solo se ha disparado como una fuente explosiva de información científica cuando un medio tan destacado como Nature ha lanzado las campanas al vuelo. Hemos presenciado la emisión simultánea de multitud de notas de prensa que, a pesar de estar vinculadas a un único suceso astrofísico estudiado de forma coral, con frecuencia se centran casi exclusivamente en las aportaciones de centros, instituciones o personas concretas, hasta el punto de que, en ocasiones, no resulta evidente que se trata de la misma investigación.

GRB 211211A, el estallido de rayos gamma largo que desafió los modelos vigentes en 2022, ofrece un ejemplo casi perfecto de investigación astrofísica de vanguardia. Ilustra cómo avanza el conocimiento a partir de observaciones nuevas que requieren adaptar teorías y modelos, y se convertirá en un arquetipo muy citado como representante de una clase completa de fenómenos cósmicos. Al mismo tiempo, todo el quehacer humano que hay detrás de esta aventura científica y de comunicación muestra el modo en que la sociedad moderna produce ciencia de primera línea y la incorpora al gran río de la cultura de masas.

 

David Galadí-Enríquez

Referencias:

«A kilonova following a long-duration gamma-ray burst at 350 Mpc», Jillian C. Rastinejad et al. en Nature, vol. 612, págs. 223–227, 7 de diciembre de 2022.

«A nearby long gamma-ray burst from a merger of compact objects», Eleonora Troja et al. en Nature, vol. 612, págs. 228–231, 7 de diciembre de 2022.

«A long-duration gamma-ray burst with a peculiar origin», Jung Yang et al. en Nature, vol. 612, págs. 232–235, 7 de diciembre de 2022.

«The case for a minute-long merger-driven gamma-ray burst from fast-cooling synchrotron emission», Benjamin P. Gompertz et al. en Nature Astronomy, 7 de diciembre de 2022.