junio 18, 2021

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La mejor visualización de la excepcional explosión cósmica: desafíos establecidos Teoría de las explosiones de rayos gamma en el universo

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Impresión artística de un chorro relativista de rayos gamma (GRB) que emerge de una estrella que colapsa y emite fotones de muy alta energía. Crédito: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica

La observación desafía la teoría establecida de los estallidos de rayos gamma en el universo.

Los científicos han tenido la mejor vista hasta ahora de las explosiones más brillantes del universo: un observatorio especializado en Namibia registró la radiación más enérgica y el resplandor de rayos gamma más largo de un llamado estallido de rayos gamma (GRB) hasta la fecha. Las observaciones con el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS) desafían la idea establecida de cómo se producen los rayos gamma en esas colosales explosiones estelares que son los gritos de nacimiento de los agujeros negros, según informa el equipo internacional en la revista. Ciencias.

“Los estallidos de rayos gamma son rayos X brillantes y rayos gamma que se ven en el cielo, emitidos por fuentes extragalácticas distantes”, explica. DESY la científica Sylvia Zhu, una de las autoras del artículo. “Son las explosiones más grandes del universo y están asociadas con el colapso de una estrella masiva en rápida rotación a una Calabozo. Una fracción de la energía gravitacional liberada alimenta la producción de una onda expansiva ultrarelativista. Su emisión se divide en dos fases diferenciadas: una fase caótica inicial que dura decenas de segundos, seguida de una fase post-luminiscente de larga duración y suave desaparición. “

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El 29 de agosto de 2019, los satélites Fermi y Swift detectaron un estallido de rayos gamma en la constelación de Eridanus. El evento, catalogado como GRB 190829A según su fecha de ocurrencia, resultó ser uno de los estallidos de rayos gamma más cercanos vistos hasta ahora, a una distancia de alrededor de mil millones de años luz. A modo de comparación: el estallido típico de rayos gamma está a unos 20 mil millones de años luz de distancia. “De hecho, estábamos sentados en la primera fila cuando ocurrió este estallido de rayos gamma”, explica el coautor de DESY, Andrew Taylor. El equipo notó las secuelas de la explosión inmediatamente cuando se hizo visible para los telescopios HESS. “Pudimos observar el resplandor residual durante varios días y energías de rayos gamma sin precedentes”, informa Taylor.

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La distancia comparativamente corta para este estallido de rayos gamma permitió mediciones detalladas del espectro de resplandor, que es la distribución de “colores” o energías fotónicas de radiación, en el rango de energía muy alta. “Pudimos determinar el espectro de GRB 190829A hasta una energía de 3,3 tera-electronvoltios, que es aproximadamente un billón de veces más energético que los fotones de luz visible”, explica la coautora Edna Ruiz-Velasco del Instituto Max Planck de Física Nuclear. en Heidelberg. “Eso es lo excepcional de este estallido de rayos gamma: sucedió en nuestro patio trasero cósmico, donde los fotones de energía ultra alta no fueron absorbidos en colisiones con la luz de fondo en su camino a la Tierra, como lo hacen a mayores distancias. cosmos. “

Fotones de muy alta energía de un estallido de rayos gamma

Impresión artística de fotones de muy alta energía de un estallido de rayos gamma que ingresa a la atmósfera de la Tierra e inicia lluvias de aire que están siendo registrados por los telescopios del Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS) en Namibia. Crédito: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica

El equipo pudo rastrear el resplandor residual hasta tres días después de la explosión inicial. El resultado fue una sorpresa: “Nuestras observaciones revelaron similitudes curiosas entre los rayos X y la emisión de rayos gamma de muy alta energía del resplandor de la explosión”, informa Zhu. Las teorías establecidas asumen que los dos componentes de emisión deben producirse mediante mecanismos separados: el componente de rayos X se origina a partir de electrones ultrarrápidos que se desvían en los fuertes campos magnéticos que rodean la explosión. Este proceso de “sincrotrón” es bastante similar a cómo los aceleradores de partículas en la Tierra producen rayos X brillantes para las investigaciones científicas.

Sin embargo, según las teorías existentes, parecía muy poco probable que incluso las explosiones más poderosas del universo pudieran acelerar suficientes electrones para producir directamente los rayos gamma de muy alta energía observados. Esto se debe a un “límite de combustión”, que está determinado por el equilibrio entre la aceleración y el enfriamiento de las partículas dentro de un acelerador. La producción de rayos gamma de muy alta energía requiere electrones con energías mucho más allá del límite de combustión. En cambio, las teorías actuales asumen que en un estallido de rayos gamma, los electrones de movimiento rápido chocan con los fotones de sincrotrón y, por lo tanto, los impulsan a energías de rayos gamma en un proceso llamado autocomptón de sincrotrón.

Explosión de rayos X de rayos gamma detectados por el satélite Swift de la NASA

Los rayos X del estallido de rayos gamma fueron detectados por el satélite Swift de la NASA en órbita terrestre. Los rayos gamma de energía extremadamente alta ingresaron a la atmósfera e iniciaron lluvias de aire que fueron detectadas por telescopios HESS terrestres (impresión del artista). Crédito: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica

Pero las observaciones del resplandor residual de GRB 190829A ahora muestran que ambos componentes, rayos X y rayos gamma, desaparecieron en sincronía. Además, el espectro de rayos gamma corresponde claramente a una extrapolación del espectro de rayos X. Juntos, estos resultados son una fuerte indicación de que los rayos X y los rayos gamma de muy alta energía en este resplandor se produjeron por el mismo mecanismo. “Es bastante inesperado ver características espectrales y temporales tan notablemente similares en las bandas de rayos X y rayos gamma de muy alta energía si la emisión en estas dos bandas de energía tiene diferentes orígenes”, dice el coautor Dmitry Khangulyan de la Universidad de Rikkyo en Tokio. Esto plantea un desafío al origen del autocomptón del sincrotrón a partir de la emisión de rayos gamma de muy alta energía.

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La implicación de gran alcance de esta posibilidad pone de relieve la necesidad de realizar más estudios sobre la emisión de resplandor de GRB de muy alta energía. GRB 190829A es solo el cuarto estallido de rayos gamma detectado desde el suelo. Sin embargo, las explosiones detectadas anteriormente ocurrieron mucho más lejos en el cosmos y su brillo residual solo pudo observarse durante unas pocas horas cada una y no para energías superiores a 1 tera-electronvoltio (TeV). “Mirando hacia el futuro, las perspectivas de detectar estallidos de rayos gamma con instrumentos de última generación como el Cherenkov Telescope Array, que se está construyendo actualmente en los Andes chilenos y las Islas Canarias de La Palma, parecen prometedoras, ”Dijo el portero. -Voz de HESS Stefan Wagner de Landessternwarte Heidelberg. “La abundancia general de estallidos de rayos gamma nos lleva a esperar que las detecciones regulares en la banda de muy alta energía se vuelvan bastante comunes, ayudándonos a comprender completamente su física”.

Referencia: “Revelación de similitudes temporales y espectrales de rayos X y rayos gamma en Post-Glow GRB 190829A” por la Colaboración HESS, 3 de junio de 2021, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abe8560

Contribuyeron más de 230 científicos de 41 institutos en 15 países (Namibia, Sudáfrica, Alemania, Francia, Reino Unido, Irlanda, Italia, Austria, Países Bajos, Polonia, Suecia, Armenia, Japón, China y Australia), que comprenden la colaboración internacional HESS. a esta investigación. HESS es un sistema de cinco telescopios de imágenes atmosféricas Cherenkov que investigan los rayos gamma cósmicos. El nombre HESS significa Sistema estereoscópico de alta energía y también está destinado a honrar a Victor Franz Hess, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1936 por su descubrimiento de la radiación cósmica. HESS se encuentra en Namibia, cerca de la montaña Gamsberg, un área conocida por su excelente calidad óptica. Cuatro telescopios HESS entraron en funcionamiento en 2002/2003, el quinto telescopio mucho más grande, HESS II, ha estado operativo desde julio de 2012, extendiendo la cobertura de energía a energías más bajas y mejorando aún más la sensibilidad. En 2015-2016, las cámaras de los primeros cuatro telescopios HESS se renovaron por completo utilizando electrónica de última generación y, en particular, el chip lector NECTAr diseñado para el próximo gran experimento en el campo, el Cherenkov Telescope Array (CTA ), para el cual DESY alojará el centro de gestión de ciencia de datos en su sitio web de Zeuthen.

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DESY es uno de los principales centros de aceleración de partículas del mundo e investiga la estructura y función de la materia, desde la interacción de pequeñas partículas elementales y el comportamiento de nuevos nanomateriales y biomoléculas vitales hasta los grandes misterios del universo. Los aceleradores y detectores de partículas que DESY desarrolla y construye en sus sitios en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. Generan la radiación de rayos X más intensa del mundo, aceleran las partículas para registrar energías y abren nuevas ventanas al universo. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz, la asociación científica más grande de Alemania, y recibe financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) (90%) y de los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo (10%).

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