miércoles, 17 de abril de 2013

Estrellas supergigantes moribundas implicadas en explosiones de rayos gamma de varias horas


Tres explosiones estelares inusualmente duraderas descubiertas por el satélite Swift de la NASA representan un clase de explosiones de rayos gamma (GRBs) no identificadas anteriormente. Dos equipos internacionales de astrónomos que han estudiado estos eventos han concluido que parecen proceder de la muerte catastrófica de estrellas supergigantes cientos de veces mayores que el Sol.
 
Los astrónomos discutieron sus descubrimientos el pasado martes durante el simposio Huntsville sobre Explosiones de rayos gamma 2013, en Nashville (Tenn.), una reunión organizada por la Universidad de Alabama en Huntsville y por las misiones Swift y el Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA. Los GRBs son las explosiones más luminosas y misteriosas en el Universo. Las explosiones emiten pulsos de rayos gamma -la forma más potente de luz- y rayos X, y producen efectos que pueden luego ser observados en energías de longitudes de onda ópticas y radio. El Swift, el Fermi y otras sondas detectan de media cerca de un GRB cada día. Tal y como indica Bruce Gendre, investigador actualmente asociado con el Centro Nacional Francés para Investigaciones Científicas y quien lideró este estudio durante su estancia en el Centro de Datos Científicos de la Agencia Espacial Italiana en Frascati (Italia), "Hemos visto miles de explosiones de rayos gamma durante las pasadas cuatro décadas, pero solo ahora vemos una imagen clara de lo extremos que estos eventos pueden llegar a ser". Antes del lanzamiento en 2004 del Swift, los instrumentos a bordo de los satélites eran mucho menos sensibles a las explosiones de rayos gamma de modo que dejaron un menor registro.
 

Tres recientes GRBs (puntos azules en la imagen 1) emitieron rayos gamma de alta energía y rayos X durante un tiempo 100 veces mayor que la típica explosión de larga duración y constituyen una nueva clase ultra-duradera. La imagen 2 compara la energía recibida y la duración del evento para diferentes clases de eventos de alta energía: GRBs de larga duración (verde); la colisión de un asteroide o cometa con una estrella de neutrones o agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxias, o la colisión de la onda expansiva de una supernova en la galaxia -diferente a la nuestra- (naranja); y los efectos de marea observados en otras galaxias, de agujero negro supermasivo en una estrella (púrpura). Tradicionalmente los astrónomos ha reconocido dos tipos de GRBs, cortos y largos, basados en la duración de la señal de rayos gamma. Los estallidos cortos duran dos segundos o menos, y se piensa que representan contactos de objetos compactos en sistemas binarios, siendo las estrellas de neutrones y agujeros negros los causantes más sospechosos . Los GRBs de larga duración pueden durar de varios segundos a varios minutos, con duraciones de decaimiento típicas entre 20 y 50 segundos. Estos eventos se piensa que están asociados con el colapso de una estrella con masa varias veces superior a la solar y resultando en el nacimiento de un nuevo agujero negro. Ambos escenarios generan poderosos jets que emiten materia en direcciones opuestas y a velocidades cercanas a la de la luz. A medida que interactúa con la materia alrededor de la estrella, los jets producen luz de alta energía.
 
Grende y sus compañeros han realizado un estudio detallado del GRB 111209A, el cual ocurrió el 9 de Diciembre de 2011, usando observaciones en rayos gamma procedentes del instrumento Konus del satélite Wind de la NASA, observaciones en rayos X del Swift y del satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, y observaciones visuales del observatorio robótico TAROT situado en La Silla (chile). La explosión  continuó produciendo emisiones de alta energía durante siete horas, haciendo con mucho el GRB de más duración jamás registrado. Los descubrimientos de este equipo aparecen en la edición de The Astrophysical Journal del pasado 20 de Marzo.
 
Otro evento, el GRB 101225A, explotó el día de navidad de 2010 y causó una emisión de alta energía durante al menos dos horas. A consecuencia de ello recibió el nombre de "estallido navideño". La distancia del evento es desconocida, lo cual causó que dos equipos llegasen a interpretaciones físicas radicalmente diferentes. Un grupo concluyó que el estallido fue causado por un asteroide o cometa cayendo en una estrella de neutrones situada en nuestra galaxia. El otro equipo determinó que el estallido fue causado por la evento de mezcla de materiales en un sistema binario exótico situado a 3.500 millones de años luz. Tal y como indicó Andrew Levan, astrónomo en la Universidad de Warwick en Coventry (Inglaterra), "Sabemos que el estallido navideño ocurrió muy lejos, y fue en consecuencia más potente de lo que estos investigadores imaginaron". Usando el Telescopio Gemini Norte en Hawaii, Levan y su equipo obtuvieron un espectro de una galaxia lejana donde se sitúa el origen del estallido navideño. Esto permitió a los científicos identificar líneas de emisión de oxígeno e hidrógeno y determinar el desplazamiento de dichas líneas para bajas energías comparadas con lo que muestran en un laboratorio. Esta diferencia, conocida por los astrónomos como desplazamiento al rojo, sitúa la erupción a unos 7.000 millones de años luz. como parte de su estudio, el cual se describe en un paper enviado al The Astrophysical Journal, el equipo de Levan también examinó el GRB 111209A y el más reciente 121027A, el cual explotó el 27 de Octubre de 2012. Todos muestran emisiones en rayos X, ultravioleta y en óptico similares, y todos emergen de regiones centrales de galaxias compactas que se muestran activas en formación estelar. Los astrónomos concluyen que estos tres GRBs constituyen un tipo desconocido de estallidos ultra-largos.
 
 
Los GRBs de larga duración son visualizados por los astrónomos como una estrella similar en tamaño al Sol pero con varias veces su masa. La masa debe ser lo suficientemente alta como para poder causar una crisis energética, cuyo núcleo se queda sin combustible y colapsa bajo su propio peso para formar un agujero negro. Parte de la materia que cae dentro de agujero negro naciente es redirigida dentro de potentes jets que perforan la propia estrella, creando un chorro de rayos gamma, pero debido a que esta erupción dura poco, la estrella debe ser relativamente pequeña. Según Levan "Las estrellas Wolf-Rayet cumplen estos requisitos. Nacen son más de 25 veces la masa del Sol, pero son tan calientes que su capa más externa de hidrógeno se emite en lo que llamamos viento estelar". Al arrancar la atmósfera de la estrella deja un objeto los suficientemente masivo para formar un agujero negro pero lo suficientemente pequeño para que los jets de partículas lo perforen en tiempos típicos para GRBs de larga duración. Dado que los GRBs ultra-largos duran periodos superiores a 100 veces mayor que los GRBs de larga duración, requieren que la fuente estelar corresponda con tamaños físicos mayores.
 
Ambos grupos sugieren que el mejor candidato es una supergigante, una estrella con cerca de 20 veces la masa del Sol que aún retiene su atmósfera de hidrógeno interior, de modo que tiene cientos de veces el diámetro solar. El equipo de Grende va más allá sugiriendo que el GRB 111209A marco la muerte de una supergigante azul conteniendo relativamente cantidades modestas de elementos más pesados que el helio, los cuales son llamados metales por los astrónomos. Gendre indica que "El contenido en metal de una estrella masiva controla la intensidad de su viento estelar, el cual determina cuanta atmósfera de hidrógeno es retenida a media que la estrella envejece". La envoltura profunda de hidrógeno de la estrella puede necesitar horas para completar su caída dentro del agujero negro, el cual puede proveer de una fuente de combustible de larga duración para alimentar el jet de un GRB ultra-largo. El contenido en metales también juega un papel importante en el desarrollo de GRBs de larga duración, de acuerdo a un detallado estudio presentado por John Graham y Andrew Fruchter, ambos astrónomos en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore. Las estrellas crean elementos pesado durante la producción de energía y durante las explosiones supernova, y cada generación de estrellas enriquece el gas interestelar con mayores cantidades.
 
Mientras los astrónomos han detectado que los GRBs de larga duración ocurren con mayor frecuencia en galaxias pobres en metales, unos pocos de ellos han sugerido que este patrón no es intrínseco a las estrellas y sus entornos. Para examinar esta posibilidad, Graham y Fruchter desarrollaron un nuevo método que permitió comparar galaxias a partir de las tasas de formación de estrellas. Examinaron galaxias que fueron origen de GRBs de larga duración y varios tipos de supernovas a la vez que usaron una muestra de 20.000 galaxias típicas procedentes del Sloan digital Sky Survey. Los astrónomos encontraron que el 75% de los GRBs largos ocurrieron en el 10% de estrellas con bajo contenido en metales. Mientras que el estudio encontró pocos GRBs largos en entornos ricos en metal, como nuestra propia galaxia, estos ocurren comparativamente en tan solo en un 4% de la tasa observada en entornos bajos en metales.
 
Tal y como explicó Graham "La mayoría de las estrellas se forman en entornos ricos en metales, y este es el efecto colateral en la reducción del predominio de GRBs de larga duración a medida que el universo envejece. Y mientras que los GRBs de larga duración cercanos pueden ser catastróficos para la vida en la Tierra, nuestro estudio muestra que las galaxias como la nuestra tiene menor probabilidad de producirlos". Los astrónomos sospechan que este patrón refleja una diferencia entre como una estrella masiva puede retener su velocidad de rotación. Aumentar el contenido en metales implica mayores vientos estelares. A medida que estos vientos expulsan material de la superficie estelar, la rotación de la estrella se reduce gradualmente, al igual que le ocurre a un patinador cuando extiende sus brazos. Las estrellas con rotaciones más rápidas pueden tener más probabilidad de causar GRBs largos. Graham y Fruchter piensan que los pocos GRBs de larga duración encontrados en entornos con alto contenido en metales reciben un aporte procedente de una estrella compañera cercana. Mediante el suministro -y con el, la energía rotacional- dentro de la estrella que explota, la compañera sirve como equivalente físico de alguien que da impulso al patinador para que aumente mayores velocidades de rotación.
Mas información en el enlace de phys.org.

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