Explosiones de Rayos Gama

Las explosiones de Rayos Gama (GRB) son tan prodigiosamente poderosas que los astrónomos se esfuerzan para encontrar fenómenos cataclísmicos lo suficientemente violentos como para poder explicarlas. El pasado abril, la NASA patrocinó en Huntsville, Alabama, EE.UU., un taller sobre astrofísica de altas energías que se ocupó principalmente de este tema. En este trabajo incluyo algo de lo que me tocó aprender de este taller.

Misterio en el cielo

En la madrugada del 28 de febrero de 1997, los sensores de gran campo del telescopio orbital ítalo-holandés BeppoSAX, repentinamente cobraron vida. El rápido encendido de una explosión de rayos Gama, proveniente de la constelación de Orión, iluminaba los detectores del satélite y los investigadores del Centro de Operaciones Científicas de Telespazio, en Roma, se apresuraban para capturar la explosión de sólo ocho segundos de duración. La explosión en sí no era poco común, pues ya se habían detectado otras 2500 en las últimas tres décadas. Es más, como en sus miles de predecesoras, el destello no tenía contrapartida en el visible, no siguiendo ningún patrón establecido de ascenso o descenso, y rápidamente desapareciendo de la vista.

Pero la explosión fue, al menos, digna de atención. Los astrónomos italianos fueron capaces de calcular su posición precisa en el cielo, y en ocho horas, tenían la cámara de campo estrecho abordo del BeppoSAX enfocada en la dirección del destello. Trabajando tan deprisa, los astrónomos pudieron ver una fuente de rayos X previamente desconocida. Fue la primera vez que un destello de rayos gama era observado en otra frecuencia.

Mientras tanto, equipos localizados en tierra, en California, Islas Canarias, Chile, Hawaii, Italia, New Mexico (EE.UU.) y España dirigieron inmediatamente sus telescopios ópticos al objetivo indicado por el equipo del BeppoSAX. Así, los astrónomos de tierra pudieron captar a tiempo el resplandor del desvanecimiento de la explosión, pero demasiado tarde como para obtener la luz suficiente para un espectrograma, desafortunadamente. Lo que vieron fue una débil galaxia distante, coincidente con la posición del destello. Sin el espectro del destello, sin embargo, nadie puede hacer una estimación de la distancia del destello a la Tierra. La coincidencia de la explosión de rayos gama con la galaxia en una misma línea visual podría haber sido únicamente por azar, y realmente la explosión haber sido a muchos miles de millones de años luz.

Como resultado, después de veinticinco años de cacería, el origen de las explosiones de rayos gama continuaba esquivo a sus perseguidores. Los astrónomos esperaban que esta tecnología tan sorprendente pudiera resolver los viejos enigmas que aún los desvelan. ¿Qué son esas cortas explosiones de muy alta energía que repentinamente surgen de cualquier lugar del cielo, una vez al día? ¿Por qué los destellos duran tan poco pero varían tanto, a veces, ascendiendo rápidamente y desvaneciéndose en menos de un segundo, otras veces continuando el destello por más de un minuto en un ritmo staccato? ¿Cuánta energía se libera en cada explosión? Y, ¿dónde exactamente ocurren las explosiones de rayos gama, en las proximidades del Sistema Solar, dentro de la Vía Láctea, o en galaxias distantes a miles de millones de años luz de aquí?

Así comienza la historia de los rayos gama

El misterio de las explosiones de rayos gama no comienza con astrónomos sino con diplomáticos. A fines de la década de 1950 el Reino Unido, los Estados Unidos y la Unión Soviética comenzaron negociaciones para limitar la carrera nuclear y detener los ensayos de armas nucleares en la atmósfera, en el espacio y bajo el agua. Pero las conversaciones se estancaron por cinco años, en parte porque ninguno de los tres países estaba dispuesto a abrir sus arsenales al control de los otros países.

En 1963, sin embargo, EE.UU. desarrolló un método que aseguraba el control sin necesidad de visitar los sitios de los países involucrados en el tratado. Estos dispositivos eran satélites colocados en órbitas altas que escudriñaban la superficie de la Tierra en busca de emisiones de rayos gama y rayos X provenientes de las pruebas nucleares que se realizaran en cualesquiera de los tres medios acordados. Estos satélites se conocieron por el nombre Vela, por nuestra forma de decir estar en vela o en vigilia, cuidando algo o a alguien.

De este modo se firmó el tratado el 5 de Agosto de 1963 y los primeros satélites Vela fueron lanzados dos meses más tarde.

Obviamente, estos satélites tenían la habilidad no sólo de detectar explosiones en la Tierra sino también en el espacio. Esto llevó a que los físicos del Laboratorio de Los Alamos, New México, Ray W. Klesbesadel, Ian B. Strong y Roy A. Olson, estudiasen los datos de Vela, en la búsqueda de radiaciones de gran energía provenientes de Supernovas en galaxias distantes. Sólo los satélites en órbita podían captar este tipo de explosiones, dado que la atmósfera es opaca a estas radiaciones.

Más teorías que eventos

Evidentemente, el origen de estos colosales fenómenos es altamente controversial. Por el momento existe más teorías que eventos, como dijo un investigador de la materia.

En general, los astrofísicos favorecen las teorías que se basan en la idea que las GRB se originan en movimientos sísmicos de las estrellas de neutrones a más o menos 1000 años luz de aquí. Estos fenómenos podrían liberar energías del orden de 10³⁸ ergios. Este modelo ha sido asociado a los fenómenos, como por ejemplo SGR 1900+14, que es una fuente repetidora y pulsante. La imagen muestra a esta fuente antes y después de la explosión de rayos gama. A estos fenómenos se los ha dado en llamar magnetares, porque están asociados a colosales campos magnéticos, del orden de 10¹⁵ gauss. Tengamos en cuenta que un imán de heladera tiene un campo del orden de 100 gauss y que una mancha solar tiene alrededor de 1000 gauss.

Otros, en cambio, sostienen que las fuentes de estos fenómenos se encuentran en los confines del Universo observable. El principal argumento radica en la distribución espacial de las fuentes de rayos gama, que no muestra una dirección preferencial, tal como lo muestra la figura, en la cual están representadas las 2704 explosiones de rayos gama detectadas por BATSE, un instrumental de detección a bordo del observatorio orbital de rayos gama: el Compton Gamma Ray Observer, que dejara de operar en Junio de 2000. Otro fundamento radica en la duración del evento, que siempre es extremadamente corta.

Precisamente, la figura siguiente nos muestra un par de ejemplos de estos estallidos, también provenientes del equipo del BATSE (NASA Marshal Space Fight Center, Huntsville Alabama, EE.UU.). Aquí pueden verse curvas de luz de dos explosiones de rayos gama del 21 y del 15 de abril de 1991. En el eje de las abscisas se representa el tiempo en segundos, mientras que en el de las ordenadas se presentan las cuentas (cantidad de fotones recibidos en el detector) por segundo.

El milagro de la tecnología

Uno de los mayores desafíos de los estallidos de rayos gama es justamente el cortísimo tiempo en que se desarrolla todo el fenómeno, lo que inhibe realizar un buen seguimiento en múltiples longitudes de onda. Para ello, juntando los esfuerzos del Compton-BATSE y del equipamiento terrestre ROTSE (Robotic Optical Transient Search Experiment), en enero de 1999 se pudo tomar el ascenso, el pico y el descenso de una explosión, cuya curva de luz puede verse en la figura.

De este modo pudo detectarse el globo desvaneciendo de la fuente y a continuación vemos una fotografía del evento:

Para este año, el satélite HETE-2 será puesto en órbita y la resolución temporal para la detección e identificación se mejorará, con lo que las posibilidades de conseguir buenas imágenes y espectrogramas de las GRB aumentarán considerablemente. Sin embargo, hasta que el observatorio múltiple Swift no sea puesto en órbita, los tiempos no caerán en forma drástica.

Esto ocurrirá en el 2003 y el Swift tendrá la posibilidad de obtener datos en cuatro diferentes áreas del espectro electromagnético: rayos gama, rayos X, ultravioleta y visible.

La contribución de los aficionados

El 4 de marzo de 2000, un pequeño grupo de astrónomos aficionados, utilizando un telescopio de 40 años y una cámara CCD casera lograron lo que muy pocos profesionales: detectaron el débil desvanecimiento de una distante explosión de rayos gama. Bill Aquino junto a sus amigos de la Buffalo Astronomical Association, consiguieron fotografiar la explosión luego que Arne Henden, astrónomo del Observatorio Naval de los EE.UU. pusiera su alerta en la lista de discusión de AAVSO. Por aquel entonces, Bill era un nuevo asociado a la AAVSO.

Este sorprendente descubrimiento dio mayor fuerza a la iniciativa conjunta de la AAVSO y del Marshall Space Flight Center de NASA, para incentivar la colaboración entre aficionados y profesionales para lograr que este tipo de observaciones sean más frecuentes. Justamente en abril pasado nos reunimos en Huntsville, Alabama, EE.UU. en un taller patrocinado por ambas instituciones para comprender mejor todo lo que es posible hacer por la ciencia, con pequeños instrumentos de aficionados o escuelas, en el campo de la Astrofísica de Altas Energías. La imagen muestra la nutrida concurrencia a este maravilloso encuentro que nos ha proporcionado emocionantes experiencias a quienes hemos podido participar.

Desde estas páginas queremos entusiasmar a todos aquellos que posean un telescopio de pequeño porte y una cámara CCD para que se unan a nuestra cruzada para perseguir las explosiones de rayos gama, las más energéticas del universo, y podamos ayudar a correr el telón de misterio que aún las encierra.

Quedo a vuestra disposición para asesorarlos, como único iberoamericano presente en ese taller.

Longitudes de onda y energías

La luz, como energía electromagnética, se propaga por el universo en una forma dual: es un fenómeno ondulatorio (o sea que se propaga por ondas), pero la energía tiene su forma corpuscular, que está representada por el fotón, que se encapsula en paquetes (llamados cuantos).

Como se trata de una onda, la luz tiene una frecuencia de oscilación, que depende inversamente de la longitud de la onda. La longitud de onda es la distancia entre dos de sus crestas más próximas. La frecuencia, en cambio, es la cantidad de crestas que la onda realiza por segundo.

La luz se produce como resultado de un fenómeno que genera radiación. Cualquier cuerpo es capaz de hacerlo, sólo es necesario entregarle suficiente energía. Sabemos que podemos hacer luz calentado un fósforo por fricción contra una superficie áspera, o haciendo pasar una corriente de electrones por el filamento de tungsteno de una bombita de luz.

Notamos que existe luz de diferentes colores y también sabemos que existe energía electromagnética que no es posible ver con nuestros ojos, pero que es detectable por otros aparatos. Por ejemplo, los visores nocturnos perciben la radiación infraroja que es luz de otra longitud de onda, que no es visible por nuestros ojos. Nuestra piel se quema en la alta montaña, cuando vamos a esquiar o a realizar andinismo, por acción de una radiación que no percibimos, que es el ultravioleta, que tiene una longitud de onda invisible a nuestros ojo.

En el gráfico siguiente se han representado las longitudes de onda en relación al tamaño de cosas que nos son familiares, en alguna medida, y se ha indicado el nombre que tiene cada radiación que, por supuesto, es luz.

De acuerdo a la longitud de onda, la luz habrá provenido de un fenómeno de energía diferente, de modo que cuanto mayor la longitud de onda, el fenómeno que la originó habrá sido de menor energía.

En la figura podemos observar diferentes fenómenos y la energía que liberan en erg/seg.

La figura siguiente nos compara las escalas entre frecuencia, longitud de onda y energía de los fotones, para cada tipo de radiación.

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