Seguimos asombrados por la explosión espacial más grande jamás registrada

El 9 de octubre de 2022, Stephen Lesage estaba en un partido de la Major League Soccer [MLS, la liga de fútbol profesional de Estados Unidos] de visita en Atlanta, Estados Unidos, cuando su teléfono comenzó a vibrar sin parar. Cuando lo miró, se dio cuenta de que tenía que irse.

"No me importa el resultado de este partido, me voy ahora mismo", recuerda Lesage que le dijo a su amigo. Lesage, estudiante de astrofísica en la Universidad de Alabama (Estados Unidos), acababa de recibir una alerta de que el telescopio espacial de rayos gamma Fermi había detectado algo brillante.

"Enseguida supimos que se trataba de un gran acontecimiento", afirma. En su habitación de hotel, se agazapó frente al ordenador, revisó los datos hasta las 3 de la madrugada y ayudó a alertar a la comunidad astrofísica de una explosión de rayos gamma (GRB) que los científicos bautizarían más tarde como BOAT, o la más brillante de todos los tiempos, en inglés the brightest of all time.

Más allá de lo superlativo, la inmensa cantidad de luz (tanta que el estallido inicial sobresaturó la mayoría de los telescopios espaciales) también significa más información sobre la fuente. En los 55 años transcurridos desde el descubrimiento de los GRB, los astrónomos han desarrollado algunas ideas sobre su procedencia. Los estallidos más brillantes y energéticos, como el BOAT, se producen cuando una estrella masiva colapsa en un agujero negro. En este proceso, la estrella emite chorros de partículas y luz a gran velocidad. Cuando estos chorros apuntan a la Tierra, vemos cómo se encienden con una oleada de radiación electromagnética de alta energía conocida como rayos gamma.

El colega de Lesage, Eric Burns, astrofísico de la Universidad Estatal de Luisiana (Estados Unidos), dirigió la búsqueda coordinada de seguimiento de este suceso, conocido oficialmente como GRB 221009A. Al menos 162 telescopios han contribuido a este esfuerzo, afirma. Estas observaciones están permitiendo a los científicos asomarse al corazón de las explosiones de rayos gamma, el tipo de explosión más violento y energético del universo.

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Colapso seguido de una explosión

Cuando una estrella masiva muere, su centro comienza a implosionar. A menudo, sus capas externas explotan en un estallido llamado supernova, una brillante "nueva estrella", como su nombre indica en latín. A veces, si la estrella tenía suficiente masa, el núcleo en implosión colapsa debido a su extrema densidad en un agujero negro, y algún proceso desconocido puede generar dos chorros opuestos de partículas y luz que se mueven rápidamente.

Estos chorros de alta velocidad se mueven rápidamente a través de las capas exteriores de gas de la estrella. Si uno de ellos está orientado hacia la Tierra, los telescopios observan primero un pulso que precede al GRB completo, la llamada "señal rápida". Y si el GRB está lo suficientemente cerca de la Tierra y los observatorios pueden ver el centro mismo (como fue el caso del BOAT), los investigadores pueden estudiar el enigmático proceso que lanza estos chorros cósmicos.

Una vez que los rayos de alta energía escapan de la estrella, chocan contra material cercano menos denso: el gas y el polvo que flotan entre las estrellas. La colisión libera una onda de choque que calienta el gas cercano y genera un resplandor. Este resplandor es visible en un amplio espectro de luz, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, pasando por la luz visible. Finalmente, el resplandor se desvanece en el transcurso de días o años.

Los astrónomos captaron la señal inmediata del GRB 221009A con varios telescopios y el resplandor posterior con más de 100 detectores.

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Los primeros fotones

El año pasado, el 9 de octubre a las 13:17, hora universal coordinada, o las 15:17, hora peninsular española, una oleada de rayos gamma inundó los detectores a bordo del telescopio espacial Fermi, la primera detección del evento. Pero los investigadores no se percataron de inmediato debido a un fallo en los satélites de comunicaciones de la NASA, explica Colleen Wilson-Hodge, investigadora principal del instrumento de monitorización de explosiones de rayos gamma del Fermi.

Aproximadamente una hora más tarde, otro telescopio espacial, el Observatorio Neil Gehrels Swift, se acercó a la Tierra y divisó el mismo lugar en el cielo. Detectó un brillante resplandor de rayos X que alertó a la comunidad científica.

Una vez que Swift anunció la detección de la señal brillante, otro miembro del equipo Fermi, Elisabetta Bissaldi, de la Universidad Politécnica de Bari (Italia), examinó los datos y descubrió que el telescopio había detectado la explosión inicial. En ese momento, Lesage recibió la notificación telefónica y abandonó el partido de fútbol para empezar a analizar la energía de la explosión.

Hasta bien pasada la medianoche siguiente a la detección, los grupos Fermi y Swift trabajaron juntos para confirmar que la señal sin precedentes procedía de un GRB extremadamente brillante. A la mañana siguiente, otros investigadores estaban preparando telescopios adicionales para echar un vistazo.

Tanto Fermi como Swift se vieron temporalmente desbordados por el brillo del estallido, recogiendo tanta luz que sus detectores se saturaron. Pero el telescopio espacial chino GECAM-C no quedó cegado, lo que permitió a los astrónomos medir la energía de la explosión inicial de rayos gamma.

"Es la más brillante jamás vista, casi por un factor de 70", afirma Burns. Este brillo extremo se debe al hecho de que el GRB estaba relativamente cerca, a unos 2000 millones de años-luz de distancia, y también ocurrió que era una explosión intrínsecamente brillante.

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Descifrando la física

El telescopio Fermi observa rayos gamma que tienen energías entre millones y miles de millones de veces superiores a la de la luz visible, pero estos rayos de radiación electromagnética también existen en una variedad de muy alta energía. Éstos tienen energías miles o millones de veces superiores a las que ve Fermi y, afortunadamente, el Observatorio de Grandes Lluvias de Aire a Gran Altitud (LHAASO, por sus siglas en inglés), situado en el condado chino de Daocheng, captó las señales generadas cuando los rayos gamma de mayor energía del BOAT perturbaron la atmósfera terrestre.

LHAASO recogió decenas de miles de fotones (una cantidad nunca vista en la astronomía de rayos gamma) desde unos minutos después de la explosión inicial hasta el resplandor posterior. El observatorio también recogió los rayos gamma de mayor energía jamás obtenidos de un GRB, tan altos que algunos astrofísicos sugieren que podrían apuntar a una nueva física y a indicios de materia misteriosa nunca vista.

Según las teorías actuales, estos fotones de máxima energía no deberían poder atravesar el universo en 2000 millones de años, como se observa en el GRB 221009A. Sin embargo, una forma de detectar estas señales es si los rayos gamma de muy alta energía se convierten en una partícula hipotética de materia oscura llamada axión, que luego viaja sin obstáculos a través del universo y se convierte de nuevo una vez que alcanza el campo magnético de nuestra galaxia.

"No sabemos si existen", afirma Lara Nava, del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia, refiriéndose a los axiones. Pero "es bastante seguro decir que hay algo inusual o que existe una física poco convencional".

Sea cual sea la forma en que los rayos gamma extremos atravesaron el cosmos para llegar a los detectores de la Tierra, estas observaciones pueden ayudar a revelar la física de lo que impulsa los extraordinarios chorros de los estallidos de rayos gamma. En los GRB observados con anterioridad, la fuente emite su estallido inicial de varios segundos y luego se calma brevemente, antes de que la onda de choque inducida por el chorro comience a atravesar el material cercano, haciéndolo brillar.

Los astrónomos pensaron que eso significaba que el proceso que lanzó esos chorros se detuvo después de la primera señal. Pero el GRB 221009A no se detuvo, lo que significa que lo que sea que impulsa los chorros continúa durante más tiempo de lo que los científicos pensaban.

Comparando los rayos gamma de mayor energía con las variedades de menor energía, los científicos podrían empezar a completar las piezas del rompecabezas. El astrofísico Bing Zhang, de la Universidad de Nevada (Estados Unidos), que ha colaborado con el equipo de LHAASO y ha trabajado en el desarrollo de teorías sobre el origen del estallido, afirma que las observaciones sugieren que una fuerte actividad magnética es la principal responsable del lanzamiento de los chorros. Pero aún quedan muchos datos por analizar.

"En términos de comprensión de la física de los GRB, probablemente digeriremos éste durante muchos años", afirma Zhang.

Otras pruebas también apuntan a que los campos magnéticos dominan los chorros. Los astrónomos que utilizan un observatorio espacial de la NASA llamado Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) y el satélite Integral de la Agencia Espacial Europea estudiaron cómo rebota la luz de rayos X en el polvo circundante, lo que puede informarles sobre las orientaciones de los campos magnéticos.

Ambos equipos han observado indicios de que los campos magnéticos están dispuestos, u "ordenados", de tal forma que indican que están canalizando la energía del agujero negro en formación hacia los chorros, algo que no se había visto antes con este nivel de detalle. "Es algo muy importante", afirma la física Michela Negro, de la Universidad Estatal de Luisiana, que dirigió el análisis IXPE.

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Hacia el resplandor

Tras la detección de señales de alta energía procedentes del BOAT, los astrónomos también han buscado en la fuente el resplandor de la propia supernova. El telescopio espacial James Webb (JWST), que ve la luz infrarroja que puede atravesar el gas y el polvo, es el telescopio ideal para buscar este resplandor.

Andrew Levan, de la Universidad Radboud de los Países Bajos, y sus colegas utilizaron el JWST para buscar señales de la explosión de esta supernova. Durante años, los astrónomos han debatido si un estallido brillante de rayos gamma requiere una supernova brillante.

"Ahora sabemos con certeza que la respuesta es no", afirma Levan. O bien la supernova no existía o era tan débil que no pudieron verla en las observaciones del JWST, recogidas 12 días después del estallido. Otros observatorios que observaron el primer resplandor, como el Telescopio de Observación Panorámica y Sistema de Respuesta Rápida (Pan-STARRS) de Hawái, sí vieron indicios de una débil supernova.

Después, el Sol se interpuso en las observaciones y la mayoría de los telescopios no pudieron volver a observar la fuente durante meses. En abril, otra observación del JWST realizada por otro grupo de astrónomos detectó indicios de que el brillo de la supernova estaba empezando a aparecer. "Así que puede que, en realidad, los estallidos de rayos gamma más potentes tengan supernovas débiles", dice Levan.

La razón de ello, añade, podría ser que el agujero negro en formación se traga gran parte del material de la estrella en colapso (las capas gaseosas exteriores) y convierte esa masa en energía para alimentar los chorros. En ese caso, quedaría poca materia estelar para explotar como supernova.

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Uniendo las piezas

El GRB 221009A es actualmente el estallido de rayos gamma más estudiado de la historia, y los investigadores ya han publicado docenas de artículos sobre él. Algunos de esos análisis se oponen a otros. El siguiente paso es averiguar cómo encajan los cientos de observaciones individuales de este GRB, explica la astrofísica Lauren Rhodes, de la Universidad de Oxford (Reino Unido), que está estudiando la explosión tanto en radio como en luz óptica.

Mientras tanto, Burns, de la LSU, está creando una base de datos compartida de todas las observaciones para que los astrofísicos puedan estudiar el panorama general de cómo evolucionó esta explosión y qué la impulsó. Los investigadores llevan décadas preguntándose qué causa estas extraordinarias erupciones en el espacio, y el BOAT podría resultar crucial para resolver el misterio.

"Es un acontecimiento muy sorprendente", dice Negro. "Tenemos que explorar todos los datos que tenemos y trabajar realmente juntos como comunidad para entender mejor lo que está pasando". Cuando ella y sus colegas redactaron una propuesta de última hora para observar el GRB 221009A con el telescopio IXPE, afirmó que "se trata de un acontecimiento único en la vida" y que "es ahora o nunca".

No era una exageración. Tras comparar el evento con el archivo de 50 años de GRBs, Burns calculó que el BOAT no era sólo un estallido que ocurre una vez en la vida. "Ocurre una vez cada 10 000 años", afirma. "Básicamente, hemos tenido una suerte increíble".