revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía
Fast Radio Bursts (FRBs)
Los Fast Radio Bursts (FRBs) son ráfagas (bursts) de radiación de radio (radio) rápidas (fast) de una duración entre nano y mili-segundos. Típicamente se encuentran a distancias cosmológicas (en otras galaxias lejanas) y pueden repetirse o no en el tiempo, algunas veces con periodicidad. Todavía seguimos sin saber quienes son sus progenitores, aunque hace pocos años existían más posibles explicaciones que el propio número de FRBs conocidos. De hecho, si se pudiera observar todo el cielo, se podrían detectar unos 1.000 FRBs cada día.
Pero bueno, vamos por pasos…
La búsqueda de los FRBs empezó en el 2007, ni siquiera hace 20 años. Por aquel entonces, se estaba revisando un catálogo de observaciones de púlsares realizadas con el radiotelescopio de Parkes, ya que se habían identificado algunas fuentes con características inusuales. Y como suele ocurrir en ciencia... ¡BUM! Detectaron una señal completamente inesperada.
Así fue, simplemente mirando la gráfica del burst (fig. 1), Lorimer y sus colaboradores se dieron cuenta de inmediato de algunas características que hacían esa señal algo muy especial:
1) El pulso de radio era muy potente, unas diez mil veces mayor que lo esperado para un pulsar.
2) El retraso temporal en la llegada de la señal a las frecuencias más bajas respecto a las más altas era mucho mas grande de lo que se esperaba para una fuente galáctica con las mismas coordenadas. Todo apuntaba a que la fuente era extragalactica.
3) No se encontró ninguna repetición de ese pulso en el catalogo.
Figura 1. Gráfica del Lorimer Burst. Crédito: Lorimer et al., Science, 2007
Hay que aclarar que dadas dos frecuencias, el retraso temporal en la llegada de la señal a la frecuencia más baja respecto a la más alta es proporcional a un valor que se identifica como medida de dispersión (es decir, la densidad de columna integrada de electrones libres entre la fuente y el telescopio). Esto nos dice que, en general, cuanto más alta es la medida de dispersión, más recorrido ha tenido que hacer el burst antes de llegar al telescopio.
Llegados a ese punto, Lorimer y sus colaboradores, por una parte muy felices y emocionados por posiblemente haber encontrado la señal de una fuente desconocida y, por otra parte, con las dudas que acompañan cuando encuentras algo inesperado, empezaron a preguntarse ¿es una señal celeste de verdad o es una interferencia terrestre? ¿podemos encontrar más de estos tipos de pulsos en otros catálogos de Parkes o en los catálogos de otros radio telescopios? y ¿ qué fuente podría haber generado este burst? o ¿emite solo en radio o también en otras longitudes de ondas?
Los nueve años posteriores sirvieron para contestar a algunas de estas preguntas, como, por ejemplo...
¿Qué fuente podría haber generado esto?
La verdad es que... ¡depende!
Si los progenitores generan un único burst, como parecía ser el caso, entonces podemos decir que estos son fuentes que han sufrido un evento catastrófico, como, por ejemplo, puede ser la fusión de dos estrellas de neutrones con la sucesiva emisión de radiación.
¿Y si generan más bursts? En ese caso, el progenitor podría haber sido un magnetar, es decir, una estrella de neutrones joven extremadamente densa y con un campo magnético muy fuerte pero a la vez muy inestable. Esta inestabilidad hace que, de vez en cuando, se generen “estrellamotos” (terremotos estelares) que provocan la ruptura de la superficie de la estrella, causando bursts gigantes y muy potentes que emiten prevalentemente en rayos X y gamma. De hecho, los magnetares no suelen emitir bursts muy intensos en radio.
Figura 2. Como señaló el periodista, Joe Palca: “del mismo modo que utilizamos varillas para medir el contenido de aceite de nuestros coches, los astrónomos pueden utilizar los FRBs como «varillas intergalácticas» para medir los electrones del universo”. Crédito: International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR)
Pero… ¿repiten o no repiten?
El burst de Lorimer y los siguiente FRBs que se descubrieron hasta el 2016 fueron monitoreados durante mucho tiempo tanto con el radiotelescopio de Parkes como con otros, esperando observar algunas repeticiones. Pero, aparentemente, no se detectó ninguna repetición hasta que el radiotelescopio de Arecibo descubrió en sus catálogos su primer FRB y durante un año consiguió detectar hasta diez repeticiones.
De esta manera no solo se pudo confirmar la existencia de los FRBs con un telescopio distinto al de Parkes, también se descubrió el primer FRB que repite. Durante un par de años este FRB fue el único burst recurrente, hasta que, en el 2018, entró en funcionamiento el radiotelescopio canadiense CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment). Un año después, en 2019, se publicó el primer catálogo de ráfagas rápidas de radio detectadas por CHIME, que confirmó la existencia tanto de eventos aparentemente no repetitivos como de fuentes repetidoras.
Pero, ¿por qué nos interesan tanto los FRBs?
Uno de los aspectos asombrosos de los FRBs es que pueden actuar como sondas de la materia bariónica en el universo. Todo lo que necesitamos es una muestra de FRBs, con su medida de dispersión y su desplazamiento al rojo bien determinado. A partir de ahí, es posible contar el número de electrones a lo largo de diferentes líneas de visión en el universo y, finalmente, medir la densidad de electrones de forma directa (fig. 2).
Este ejercicio, aunque conceptualmente sencillo, resulta ser bastante complejo. El primer equipo que lo llevó a cabo estuvo dirigido por J.P. Macquart, empleando para ello una muestra de FRBs obtenida con sumo cuidado con el radiotelescopio ASKAP (Australian Square Kiliometer Array Pathfinder) (Macquart et al. 2020). Este proyecto requirió coordinación para obtener tanto las medidas de dispersión en radio como los desplazamientos al rojo de las galaxias anfitrionas en el rango óptico. El resultado, que se muestra en la figura 3, se conoce como la relación de Macquart. Ademas, la dispersión en torno a la relación de Macquart contiene información sobre la turbulencia del gas interestelar alrededor de los cúmulos de galaxias. En los próximos años se prevé un aumento significativo de la muestra de FRBs que tengan medidos los desplazamientos al rojo, habiendo conseguido hasta el día de hoy (noviembre de 2024), asociar alrededor de 100 FRBs con sus galaxias anfitrionas.
Figura 3. Relación de Macquart. Crédito: Macquart et al., Nature, 2020.
Además parece que, estadísticamente, no hay diferencias significativas entre las galaxias anfitrionas que albergan los FRBs que repiten y las que albergan FRBs que no repiten. En general, los FRBs se encuentran en galaxias donde por lo menos hay cantidades moderadas de formación estelar, mientras que no suelen encontrarse en galaxias donde la formación estelar ha cesado (Bhandari et al. 2022).
¿Puede ser que finalmente todos repitan?
Uno de los grandes debates actuales en la comunidad que estudia los FRBs es si todos los FRBs son repetidores. Para contestar a esta pregunta, gracias a la publicación del primer catálogo de más de 500 FRBs detectados por CHIME, se ha podido hacer un estudio estadístico del aspecto morfológico de los FRBs que aparentemente no repiten frente a los que repiten, y las gráficas parecen ser bastante diferentes, como se puede ver en la figura 4.
Los que no repiten tienden a ocupar toda la banda observable y a emitir pulsos temporalmente más estrechos en comparación a los que repiten, que suelen ocupar solo una fracción de la banda observable, y, en promedio, sus pulsos son temporalmente más anchos con una emisión del tipo “sonido de un trombón triste ua-ua-uaa” ( (Pleunis et al. 2021). A día de hoy los esfuerzos por unificar esta dicotomía siguen suponiendo un reto.
Figura 4. Cuatro arquetipos observados de morfología de las ráfagas (1. banda ancha simple, 2. banda estrecha simple, 3. temporalmente compleja y 4. deriva descendente). Crédito: Pleunis et al., Astrophys, 2021
¿Y estos bursts rápidos se han detectado solo en longitudes de onda de radio? ¿O también en otras longitudes de onda? ¿Tenemos bursts rápidos también en rayos X o en óptico?
Hay que destacar que el 28 de abril de 2020 hubo una detección simultánea de un pulso radio increíblemente brillante de tipo FRB con un estallido en X procedente de un magnetar galáctico. Este pulso radio fue detectado por el radiotelescopio CHIME (CHIME/FRB Collaboration et al. 2020b) y también por el experimento STARE2 (Bochenek et al. 2020), y rápidamente localizado por el satélite de rayos gamma INTEGRAL (Mereghetti et al. 2020) como el magnetar SGR 1935+2154, que se sabía que se encontraba en ese momento en un período de mayor actividad.
Otra manera para posiblemente detectar emisión a otras frecuencias que no sean de radio es monitorear entre los FRBs que repiten los repetidores muy activos o también los pocos que tienen repeticiones periódicas. Normalmente, para este tipo de FRBs se suelen organizar campañas observacionales multifrecuencia usando simultáneamente radiotelescopios, radio-interferometros, instrumentos ópticos que puedan hacer fotometría rápida - o sea, con muy alta cadencia de adquisición - y satélites que miden en banda X y gamma. De hecho, estamos buscando posibles contrapartidas ópticas o en banda X y gamma asociadas a pulsos rápidos en radio. Encontrar pulsos rápidos también a otras frecuencias nos ayudaría a entender mejor los mecanismos de emisiones de las fuentes que generan los bursts.
Y, por último, quiero terminar con la localización del repetidor FRB 20200120E en un ambiente totalmente inesperado: el cúmulo globular asociado a la galaxia cercana M81 (Bhardwaj et al. 2021; Kirsten et al. 2022). De hecho, los cúmulos globulares se encuentran entre las poblaciones estelares más antiguas y son regiones en las que no se esperan estrellas de neutrones jóvenes, como, por ejemplo, los magnetares, debido a la falta de una actividad reciente de formación estelar. ¿Y ahora qué? Según Kremer y colaboradores (2023), estas fuentes se podrían haber formado en estos entornos a través de la fusión de un sistema binario de enanas blancas. Este descubrimiento podría explicar también por qué el sistema de cúmulos globulares de nuestra propia galaxia alberga unas cuantas estrellas de neutrones jóvenes que, de hecho, son muy difíciles de conciliar con poblaciones más antiguas como la de los púlsares de mili-segundos que normalmente se observan en los cúmulos globulares. De cara al futuro ya se han organizado nuevas observaciones para buscar FRBs en los cúmulos globulares, por ejemplo, en galaxias alrededor de la nuestra.
Bibliografía
Lorimer, D.R., Bailes, M., McLaughlin, M.A., et al.: A bright millisecond radio burst of extragalactic origin. Science 318(5851), 777 (2007). https://doi.org/10.1126/science.1147532. arXiv:0709. 4301 [astro-ph]
Macquart, J.P., Prochaska, J.X., McQuinn, M., et al.: A census of baryons in the universe from localized fast radio bursts. Nature 581(7809), 391–395 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020- 2300-2. arXiv:2005.13161 [astro-ph.CO]
Pleunis, Z., Good, D.C., Kaspi, V.M., et al.: Fast radio burst mor- phology in the first CHIME/FRB catalog. Astrophys. J. 923(1), 1 (2021). https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac33ac. arXiv:2106. 04356 [astro-ph.HE]
Bhandari, S. et al 2022 AJ 163 69 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac3aec
CHIME/FRB Collaboration et al. 2020b