revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía

Pilares e Incertidumbres

Explosiones de rayos gamma (GRBs)

Por Alberto J. Castro-Tirado (IAA-CSIC)
Pilares científicos

Colgate, aparte de ser una marca de dentífrico, es también y no por casualidad el apellido de una saga americana de la que también dimanó Stirling Colgate (1925-2013), un científico del afamado Laboratorio Nacional de Los Álamos. Él postuló que las explosiones nucleares deberían ser detectadas como fogonazos por detectores de rayos gamma a bordo de satélites militares en baja órbita. No en vano, había trabajado en el estudio de los productos radiactivos producidos por la bomba de hidrógeno, pero también dejó claro que podrían confundirse con emisión a alta energía resultante de explosiones de supernovas.
Retrotraigámonos pues cincuenta años, a mediados de los sesenta del pasado siglo, para situarnos en plena Guerra Fría entre las dos superpotencias de la época, los Estados Unidos y la Unión Soviética. Habiéndose firmado el 5 de agosto de 1963 el tratado de prohibición parcial de armas nucleares entre los dos países (conjuntamente con Inglaterra), no pasó mucho tiempo antes de que se pusieran en órbita satélites espías para ver si cada cual cumplía con lo pactado. De hecho, el primero de la serie Vela americana se lanzó tan sólo tres días (¡!) después de firmarse dicho tratado. Por cierto, el nombre se tomó del infinitivo castellano “velar” (estar alerta).
El 2 de julio de 1967 tuvo lugar la primera detección de una explosión cósmica de rayos gamma (GRB) por parte de los satélites Vela4A y Vela4B, y el 3 de julio de 1969 fue localizado por primera vez un GRB de manera precisa (pocos grados de error), por los  Vela5A y Vela5B. Los satélites soviéticos también registraron los destellos, pero si los militares americanos tardaron varios años en pasarle los datos a los científicos, más aún se demoraron sus colegas del otro lado del telón de acero. El primer artículo (en Astrophysical Journal) se publicó en 1974 y para un año después ya había casi un centenar de modelos para explicar su origen, a todas las escalas imaginables.
A partir de entonces, se sucedieron las mejoras en los detectores y las misiones espaciales para culminar con la conocida distribución isótropa de las fuentes originarias de los GRBs y una distribución bimodal (GRBs cortos y largos) que culminaron con la detección de las contrapartidas a otras longitudes de onda gracias a la detección de la onda de choque contra el medio interestelar en forma de rayos X por parte del satélite BeppoSAX en 1997, época frenética que vivimos algunos de los científicos del IAA que aún trabajamos en este campo de la astrofísica. Ello supuso la confirmación del origen cosmológico de estas explosiones, merecedores del honor de ser los fenómenos más energéticos del Universo (si exceptuamos el propio big bang).
Hoy en día está ampliamente aceptado que los GRBs de larga duración se deben a que el núcleo de una estrella extremadamente masiva, de baja metalicidad y rotación rápida (como una de tipo Wolf-Rayet), se colapsa en un agujero negro en las etapas finales de su evolución. La caída de esta materia hacia el agujero negro genera una pareja de chorros relativistas en la dirección del eje de rotación, que empujan con fuerza la capa superior de la estrella atravesándola literalmente y produciendo una serie de choques internos (la emisión gamma en sí) y externos al chocar con el medio interestelar (la emisión a otras longitudes de onda). La radiación sincrotrón es el proceso físico predominante que domina la emisión en todas las longitudes de onda.

GRB 100621A. Fuente: NASA/Swift/Stefan Immler.
Incertidumbres

Como casi siempre ocurre en la ciencia, nuevos hallazgos dan lugar a nuevos interrogantes. Mencionamos tres de ellos a modo de ejemplo:
1. El satélite Swift ha mostrado que la emisión ultravioleta y óptica por un lado y la emisión en rayos X por otro no van parejas en la mayoría de los casos, lo que complica el modelo estándar. La realidad es más compleja y se han postulado la existencia de al menos dos tipos de chorros relativistas, geometrías diversas, etc. La confirmación de muy alta polarización en rayos gamma (con errores de medición demasiado altos por ahora) puede ser crucial. ¿Será la futura misión AstroMeV de la ESA (en preparación y si se aprueba) la que tenga la respuesta?
2. Ahora que ya se han descubierto un puñado de supernovas (altamente energéticas, eso sí) responsables de una considerable fracción de los GRBs de larga duración, se está debatiendo si algunos de estos GRBs/SNe se podrían considerar luminarias estándar, con lo que supondrían un nuevo método para restringir los parámetros cosmológicos como ya se ha hecho con las supernovas tipo Ia. Pero necesitamos al menos quintuplicar la muestra existente…
3. Por otro lado, aunque no todos los GRBs de corta duración responden al modelo de coalescencia de estrellas compactas en sistemas binarios residiendo en galaxias de tipo temprano, son sin duda alguna los candidatos número uno para producir las ondas gravitatorias que se esperan detectar con el experimento Advanced LIGO en tierra y con la misión LISA Pathfinder en el espacio a partir de 2015. ¿Tendremos que esperar una década (como rezan las previsiones más pesimistas) para detectar uno?
Entre tanto, muchos de los trabajos de Colgate siguen siendo aún material clasificado...

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