UNIVERSITAT DE VALENCIA

Según un estudio con participación de la Universitat de València

Un grupo internacional de investigadores liderado por Christina Thöne y Antonio d’Ugarte Postigo del Instituto de Astrofisíca de Andalucía (Granada), en colaboración con y Petar Mimica de la Universitat de València, han encontrado una explicación plausible al enigma que propone la Erupción de Navidad. El trabajo ha sido publicado en la .

La Erupción de Navidad es una de más de media hora de duración, que sucedió el 25 de diciembre de 2010, haciendo una contribución térmica al espectro inusualmente potente. Este componente térmico supone un reto para el bien asentado paradigma estándar que explica que la radiación emitida en la postluminiscencia es de tipo no térmico (sincrotron).

Las erupciones de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) son flashes de radiación ultraintensa que pueden llegar a la Tierra desde cualquier dirección del espacio. Son fenómenos tan potentes y energéticos que tan sólo uno de ellos puede ser tan luminoso como todas las estrellas visibles simultáneamente en el cielo, aunque sólo durante unos pocos segundos. Fueron descubiertos por primera vez durante la guerra fría, cuando los EE.UU. intentaban verificar el Tratado de No Proliferación de Armas Atómicas, pues a los ojos de aquellos primitivos detectores, tenían propiedades semejantes a las de una explosión atómica atmosférica. Afortunadamente, nuestra atmósfera es opaca a la radiación gamma, lo cual ha permitido preservar la vida en la Tierra. Pero esta notable propiedad tiene la contrapartida de que las GRB sólo pueden detectarse en instrumentos montados a bordo de satélites, tales como el satélite Swift de la .

Swift localiza las GRB y distribuye sus coordenadas a astrónomos en todo el mundo, los cuales pueden seguir estos formidables eventos utilizando telescopios terrestres y espaciales, pues tras el flash de radiación gamma, se alcanza una fase de “postluminiscencia”, donde la GRB inicial se hace cada vez más tenue y comienza a emitir en longitudes de onda ultravioleta, óptica e incluso en radio frecuencia. La postluminiscencia se origina por la radiación sincrotrón emitida por partículas cargadas (electrones y positrones fundamentalmente) que se están moviendo en el seno de poderosos campos magnéticos a velocidades ultra-relativistas: velocidades por encima de un 99.9999% de la velocidad de la luz en el vacío (nótese que a diferencia de los díscolos neutrinos de Gran Sasso, estas partículas son sublumínicas).

El día de Navidad de 2010, una GRB muy peculiar fue detectada. Se la denominó GRB101225A, según su identificación científica, o la “Erupción de Navidad”, como ha sido apodada por acontecer en fecha tan señalada. Este fenómeno duró más de media hora y, además de su extraordinaria duración (típicamente las GRB duran unos pocos segundos), llamó la atención el hecho de que se observase una contribución al espectro de tipo térmico (como un cuerpo negro clásico) inusualmente potente, de hecho, tan potente que domina por completo la emisión en rayos X y ultravioleta de este objeto. Dicha componente térmica supone un reto para el bien asentado paradigma estándar que explica que la radiación emitida en la postluminiscencia es de tipo no térmico (sincrotrón).

Un grupo internacional de investigadores liderado por Christina Thöne y Antonio de Ugarte Postigo del Instituto de Astrofisíca de Andalucía (Granada), en colaboración con Miguel Ángel Aloy and Petar Mimica de la Universitat de València han encontrado una explicación plausible al enigma que propone la erupción de Navidad, y que ha sido publicada en la prestigiosa Nature. “Esta erupción realmente nos asombró a todos y tenía multitud de propiedades anodinas, lo cual nos motivó a considerar un amplio abanico de posibles explicaciones, incluso algunas relacionadas con la posibilidad de que éste fuera un raro acontecimiento en nuestra propia galaxia” explica C.Thöne. “El hecho de que en una misma GRB no viéramos una postluminiscencia clásica, una componente térmica caliente, una explosión supernova tan débil que no hay precedente de otra igual, y una actividad en rayos gamma tan prolongada, nos alertó de la peculiar naturaleza de esta GRB” añade de Ugarte. De hecho, sobre la base de un gran conjunto de observaciones espaciales y terrestres, “estábamos prácticamente forzados a proponer un nuevo escenario para explicar este exótico y explosivo evento” apunta C. Thöne: la GRB101225A es el resultado de una estrella de neutrones fusionándose con el núcleo de helio de una estrella gigante y antigua, a una distancia de la Tierra de alrededor de 5.500 millones de años-luz (equivalentemente, con un corrimiento al rojo de aproximadamente 0.3).

Este exótico sistema binario pasó por una fase en la que la estrella de neutrones penetró en la atmósfera de la estrella compañera gigante produciendo tal perturbación que la estrella gigante se vio obligada a expulsar la mayor parte de su envoltura más externa. Miguel A. Aloy aclara que “el viaje de la estrella de neutrones a través del interior estelar terminó dramáticamente cuando alcanzó el núcleo de la estrella gigante y se fusionó con aquel. El resultado de tal fusión es una gigantesca explosión dentro de la estrella, por tanto, inicialmente invisible desde la Tierra”. La tremenda cantidad de energía liberada por la explosión es canalizada lejos del centro de la estrella mediante sendos chorros de plasma, moviéndose en direcciones opuestas a velocidades cercanas a las de la luz, los cuales necesitan unos pocos minutos para atravesar tanto la estrella como la envoltura expulsada previamente, momento en el cual nuestros detectores pueden observar el fenómeno. A lo largo del camino, los chorros son termalizados, dando lugar al espectro de cuerpo negro observado. “La idea de que todo podía explicarse suponiendo que lo que observábamos lo producía un chorro de plasma extremadamente energético que tenía que encontrar una vía de escape a través de un pequeño agujero preexistente entre el amasijo de materiales expulsados anteriormente fue estimulada por nuestra experiencia previa en la modelización de chorros relativistas” explica Aloy, “aunque tuvimos que descartar muchas otras alternativas y finalmente nos decantamos por la que, inicialmente, parecía menos plausible” enfatiza P. Mimica. Una investigación detallada del espectro de la postluminiscencia reveló que, en palabras de C. Thöne, “el material del chorro, inicialmente muy caliente (con temperaturas del orden de 1 millón de grados), se estaba enfriando y creciendo hasta alcanzar unos 5000 grados y un tamaño del orden de la órbita de Saturno alrededor del Sol, tan sólo dos semanas más tarde”.

Finalmente, tras unos 10 días, una débil explosión supernova tuvo lugar, alcanzando su máxima luminosidad unos 40 días tras la GRB, de forma que, a partir de ese momento la radiación observada, también térmica, tomó el relevo al objeto caliente en expansión anteriormente aludido. “Fue tranquilizador para nosotros comprobar que la componente espectral tardía que estábamos observando pudiera ser perfectamente ajustada por nuestros modelos de explosiones supernova de tipo Ic si dicha supernova se encontraba precisamente a la distancia que previamente habíamos estimado que se encontraba el cuerpo negro en expansión” manifiesta de Ugarte. El hecho de que el escenario propuesto de fusión de una estrella de neutrones y una estrella de helio predice que se produzca una modesta cantidad de níquel radioactivo, el cual explicaría la debilidad de la supernova observada “hace incuso más consistente nuestro modelo con las observaciones” declara M.A. Aloy.

Incluso tras muchos años de investigación, las ERG todavía mantienen algunas sorpresas esperándonos. De manera semejante a la creciente diversidad de tipos de supernova, la clasificación de las ERG podría tener que ser revisada a la luz de estos nuevos resultados, según los cuales, las estrellas parece que han encontrado muchas formas distintas de morir.

Fig. 1: Impresión artística de la Erupción de Navidad. La fusión de una estrella de helio con una estrella de neutrones produce una estructura toroidal extendida, además de sendos chorros alineados con el eje de rotación del sistema. Los chorros interaccionan con la envoltura de la estrella de helio, la cual ha sido previamente eyectada, produciendo el espectro de cuerpo negro observado.

Crédito: A. Simonnet, NASA, E/PO, Sonoma State University

Un video confeccionado por el equipo de divulgación de la NASA puede bajarse de (crédito: S. Wiessinger, NASA):

http://dl.dropbox.com/u/6065213/GRX_movie_small.mov