Estallidos de rayos gamma (GRB): qué son, causas y efectos
Estallidos de rayos gamma (GRB): descubre qué son, sus causas (supernovas, fusiones) y efectos cósmicos y sobre la vida; las explosiones más energéticas del universo.
Los estallidos de rayos gamma (GRB) son destellos de rayos gamma procedentes de explosiones extremadamente energéticas. Se han observado en galaxias lejanas. Son los eventos electromagnéticos más luminosos que se conocen en el universo.
Los estallidos pueden durar desde milisegundos hasta varios minutos, aunque un estallido típico dura unos segundos. El estallido inicial suele ir seguido de un "resplandor" de mayor duración emitido en longitudes de onda más largas (rayos X, ultravioleta, luz visible, infrarrojos y ondas de radio).
La mayoría de los GRB son un estrecho haz de intensa radiación que se libera durante una supernova, cuando una enorme estrella que gira rápidamente colapsa para formar un agujero negro. Una subclase de GRBs (los estallidos "cortos") parece provenir de un proceso diferente, tal vez la fusión de estrellas de neutrones binarias.
Las fuentes de la mayoría de los GRB se encuentran a miles de millones de años luz de la Tierra. Esto sugiere que las explosiones son extremadamente energéticas: una explosión típica libera tanta energía en unos pocos segundos como el Sol en toda su vida de 10.000 millones de años. Son muy raros (unos pocos por galaxia y por millón de años).
Todos los GRBs observados proceden de fuera de la Vía Láctea. Fenómenos similares, las llamaradas de repetición de rayos gamma suaves, se asocian a magnetares dentro de la Vía Láctea. Se ha sugerido que una explosión de rayos gamma en la Vía Láctea podría causar una extinción masiva en la Tierra. No se conoce ningún caso de este tipo.
Clasificación y duraciones
Los GRB se clasifican clásicamente por su duración y por las características de su espectro en dos grupos principales:
- GRB largos (duración > ~2 segundos): suelen asociarse al colapso del núcleo de estrellas masivas (hipernovas) y con frecuencia muestran un componente supernova en sus observaciones posteriores.
- GRB cortos (duración < ~2 segundos): relacionados con la fusión de objetos compactos, como pares de estrellas de neutrones o una estrella de neutrones con un agujero negro. A menudo van acompañados de una emisión más débil y rápida en otras bandas y, en algunos casos, de una kilonova.
Origen físico y mecanismos
Los GRB se producen cuando una cantidad enorme de energía se libera en una región muy pequeña en muy poco tiempo. Dos mecanismos principales explican la mayoría de los casos:
- Colapso del núcleo de estrellas masivas: en estrellas con gran masa y rotación, el colapso forma un agujero negro o una estrella de neutrones hiperaccreciente y lanza chorros relativistas que, si apuntan hacia la Tierra, se observan como un GRB largo.
- Fusión de objetos compactos: la coalescencia de dos estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones y un agujero negro libera energía en forma de chorros y ondas gravitacionales; estos eventos son la explicación predominante para los GRB cortos.
Emisión, haz y energía
El flujo observado depende fuertemente de que el chorro relativista esté orientado hacia nosotros: los GRB son fuertemente confinados en ángulos pequeños (fechado), por lo que la energía aparente (isotrópica) puede ser enorme, pero la energía total liberada es menor si se corrige por el factor de haz. Las energías equivalentes isotrópicas medidas pueden alcanzar 10^51–10^54 erg, mientras que la energía real emitida por evento, tras corregir por beaming, suele ser del orden de 10^49–10^52 erg.
Afterglow y observaciones multi‑longitud de onda
Tras el pulso inicial de rayos gamma aparece un afterglow que se detecta en rayos X, ultravioleta, óptico, infrarrojo y radio. El afterglow permite localizar con precisión la fuente, medir el corrimiento al rojo y estudiar la galaxia huésped. En GRB largos a veces se observa la "firma" de una supernova días o semanas después; en GRB cortos puede aparecer una kilonova —una emisión transitoria asociada a la síntesis de elementos pesados por captura de neutrones (proceso r).
Detección actual y avances
La detección de GRB se realiza mediante satélites y observatorios espaciales sensibles a rayos gamma y X, que alertan a telescopios en tierra para seguir el afterglow. En la última década la astronomía de múltiples mensajeros (radiación electromagnética + ondas gravitacionales) confirmó la conexión entre algunos GRB cortos y fusiones de estrellas de neutrones (por ejemplo, la observación conjunta de una señal de ondas gravitacionales y un GRB corto en 2017 fue un hito que confirmó la relación y detectó una kilonova asociada).
Importancia científica
- Los GRB sirven como faros que permiten estudiar el universo temprano: se han detectado GRB a corrimientos al rojo muy altos, lo que ayuda a investigar la formación temprana de estrellas y galaxias.
- Proporcionan información sobre la física de los chorros relativistas, la formación de agujeros negros y la nucleosíntesis de elementos pesados.
- En combinación con detectores de ondas gravitacionales, permiten estudiar la dinámica de fusiones compactas y medir parámetros cosmológicos.
Riesgos y efectos sobre la Tierra
Se ha planteado teóricamente que un GRB en nuestra galaxia, si apuntara directamente a la Tierra y fuera lo bastante cercano, podría afectar la atmósfera (por ejemplo, causar destrucción de ozono y aumentar la radiación ultravioleta en superficie) con consecuencias ecológicas. Sin embargo, estos eventos son extremadamente raros: las probabilidades de que ocurra un GRB dañino dirigido a la Tierra en tiempos históricos son muy bajas. Además, todos los GRB observados provienen de galaxias externas; en la Vía Láctea solo se observan fenómenos relacionados, como las emisiones de magnetares.
Señales observacionales que buscan los astrónomos
- Pulso gamma inicial (prompt emission): estructura temporal, variabilidad y espectro.
- Afterglow en X y óptico: para localizar la fuente y medir el corrimiento al rojo.
- Asociación con supernova (GRB largos) o kilonova y ondas gravitacionales (GRB cortos).
- Galaxia huésped: tipo, tasa de formación estelar y metalicidad, que ayudan a entender el progenitor.
En resumen, los estallidos de rayos gamma son sucesos extremos y breves que ofrecen una ventana única a procesos astrofísicos violentos, a la física de chorros relativistas y a la historia del universo, al tiempo que su potencial amenaza para la Tierra es teórico y muy poco probable.
Ilustración artística de una brillante explosión de rayos gamma que se produce en una región de formación estelar. La energía de la explosión se transmite en dos chorros estrechos dirigidos de forma opuesta.
Historia
Los estallidos de rayos gamma fueron observados por primera vez a finales de la década de 1960 por los satélites estadounidenses Vela, construidos para detectar pulsos de radiación gamma emitidos por armas nucleares probadas en el espacio.
El 2 de julio de 1967, a las 14:19 UTC, los satélites Vela 4 y Vela 3 detectaron un destello de radiación gamma diferente a cualquier firma conocida de armas nucleares. El equipo del Laboratorio Científico de Los Álamos, sin saber lo que había ocurrido pero sin considerar el asunto especialmente urgente, archivó los datos para su investigación.
Analizando los diferentes tiempos de llegada de las ráfagas detectadas por diferentes satélites, el equipo pudo determinar estimaciones aproximadas de las posiciones en el cielo de dieciséis ráfagas 12-16y descartar definitivamente un origen terrestre o solar. El descubrimiento se publicó en 1973.
Posiciones en el cielo de todos los estallidos de rayos gamma detectados durante la misión BATSE. La distribución es aleatoria, sin concentración hacia el plano de la Vía Láctea, que atraviesa horizontalmente el centro de la imagen.
Estallidos largos de rayos gamma
La mayoría de los eventos observados duran más de dos segundos y se clasifican como estallidos de rayos gamma largos. Se han estudiado con mucho más detalle que sus homólogos cortos. Casi todos los estallidos de rayos gamma largos bien estudiados se han asociado a una galaxia de rápida formación estelar y, en muchos casos, también a una supernova de colapso del núcleo. Esto vincula los GRBs largos con la muerte de estrellas masivas. Las observaciones del resplandor posterior de los GRB largos a alto corrimiento al rojo (grandes distancias) también sugieren que los GRB se originan en regiones de formación estelar. Esto se debe a que la observación de galaxias lejanas supone mirar hacia atrás en el tiempo, hacia galaxias en una etapa anterior.
Energética
Se cree que los estallidos de rayos gamma son explosiones muy concentradas, con la mayor parte de la energía de la explosión en un estrecho chorro relativista que viaja a velocidades superiores al 99,995% de la velocidad de la luz.
La anchura angular aproximada del chorro (es decir, el grado de irradiación) puede estimarse directamente observando las "interrupciones del chorro" en las curvas de luz del resplandor posterior: un momento tras el cual el resplandor posterior, que se va apagando lentamente, comienza a desvanecerse de forma repentina, ya que el chorro se ralentiza y ya no puede irradiar su radiación con tanta eficacia. Las observaciones sugieren una variación significativa del ángulo del chorro de entre 2 y 20 grados.
Debido a que su energía es fuertemente emitida (muy estrecha), los rayos gamma emitidos por la mayoría de los estallidos no llegan a la Tierra y nunca se detectan. Cuando un estallido de rayos gamma apunta hacia la Tierra, la concentración de su energía a lo largo de un haz relativamente estrecho hace que el estallido parezca mucho más brillante de lo que habría sido si su energía se emitiera de forma esférica. Cuando se tiene en cuenta este efecto, se observa que los estallidos de rayos gamma típicos tienen una liberación de energía real de unos 10 44J, o aproximadamente 1/2000 de un equivalente de energía de la masa solar.
Esto es comparable a la energía liberada en una supernova brillante de tipo Ib/c (a veces llamada "hipernova"). Se han visto supernovas muy brillantes en la posición de algunos de los GRB más cercanos.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué son los estallidos de rayos gamma?
R: Los estallidos de rayos gamma (GRB) son destellos de rayos gamma procedentes de explosiones extremadamente energéticas.
P: ¿Cuánto suelen durar los GRB?
R: Los GRB pueden durar desde milisegundos hasta varios minutos, aunque un estallido típico dura unos segundos.
P: ¿Cuál es el origen de la mayoría de los GRB?
R: La mayoría de los GRB son un haz estrecho de radiación intensa liberada durante una supernova, cuando una enorme estrella que gira rápidamente colapsa para formar un agujero negro.
P: ¿De dónde proceden la mayoría de los GRB observados?
R: Todos los GRB observados proceden del exterior de la Vía Láctea.
P: ¿Cuánta energía libera un estallido medio?
R: Un estallido típico libera tanta energía en unos segundos como la que liberará el Sol en toda su vida de 10.000 millones de años.
P: ¿Son raros los GRB?
R: Son muy raros (unos pocos por galaxia y por millón de años).
P: ¿Podrían suponer algún peligro los estallidos de rayos gamma dentro de nuestra propia galaxia?
R: Se ha sugerido que un estallido de rayos gamma en la Vía Láctea podría provocar una extinción masiva en la Tierra, pero no se conoce ningún caso de este tipo.
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