En octubre de 2022, un equipo internacional de investigadores, incluidos astrofísicos de la Universidad Northwestern, observó el estallido de rayos gamma (GRB) más brillante jamás registrado, GRB 221009A.

Ahora, un equipo liderado por Northwestern ha confirmado que el fenómeno responsable del estallido histórico, apodado B.O.A.T. (brightest of all time, más brillante de todos los tiempos), es el colapso y la posterior explosión de una estrella masiva. El equipo descubrió la explosión, o supernova, utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA.

Mientras este descubrimiento resuelve un misterio, otro misterio se abre. Los investigadores especularon que evidencia de elementos pesados, como platino y oro, podrían residir dentro de la supernova recién descubierta. Sin embargo, la extensa búsqueda no encontró la firma que acompaña a tales elementos. El origen de los elementos pesados en el universo continúa siendo una de las mayores preguntas abiertas en la astronomía.

Cuando confirmamos que el GRB fue generado por el colapso de una estrella masiva, eso nos dio la oportunidad de probar una hipótesis sobre cómo se forman algunos de los elementos más pesados en el universo, dijo Peter Blanchard de Northwestern, quien lideró el estudio. No vimos firmas de estos elementos pesados, lo que sugiere que GRBs extremadamente energéticos como el B.O.A.T. no producen estos elementos. Eso no significa que todos los GRBs no los produzcan, pero es una pieza clave de información mientras continuamos comprendiendo de dónde provienen estos elementos pesados. Observaciones futuras con JWST determinarán si los ‘primos normales’ de B.O.A.T. producen estos elementos.

Nacimiento del B.O.A.T.

Cuando su luz se reflejó en la Tierra el 9 de octubre de 2022, el B.O.A.T. fue tan brillante que saturó la mayoría de los detectores de rayos gamma del mundo. La potente explosión ocurrió aproximadamente a 2,4 mil millones de años luz de distancia de la Tierra, en dirección a la constelación de Sagitta, y duró unos cientos de segundos. Mientras los astrónomos se apresuraban a observar el origen de este fenómeno increíblemente brillante, fueron golpeados de inmediato por una sensación de asombro.

Desde que hemos sido capaces de detectar GRBs, no hay duda de que este GRB es el más brillante que hemos presenciado, por un factor de 10 o más, dijo Wen-fai Fong, profesor asociado de física y astronomía en la Facultad Weinberg de Artes y Ciencias de Northwestern y miembro de CIERA, en ese momento.

El evento produjo algunos de los fotones de mayor energía jamás registrados por satélites diseñados para detectar rayos gamma, dijo Blanchard. Este fue un evento que la Tierra ve solo una vez cada 10.000 años. Somos afortunados de vivir en una época en la que tenemos la tecnología para detectar estos estallidos ocurriendo en todo el universo. Es emocionante observar un fenómeno astronómico tan raro como el B.O.A.T. y trabajar para comprender la física detrás de este evento excepcional.

Nuestras imágenes del GRB 221009A (fila superior), modelos GALFIT de galaxias mejor ajustados (fila central) e imágenes sustraídas del modelo GALFIT (fila inferior). Las imágenes se muestran con el norte hacia arriba y el este hacia la izquierda. Se detecta una clara fuente puntual en la ubicación del GRB 221009A. El rectángulo rojo muestra la orientación de la rendija de NIRSpec. La fotometría PSF de GRB 221009A se realizó en las imágenes sustraídas de la galaxia. La galaxia anfitriona está bien descrita por un único componente Sérsic, aunque queda algo de estructura residual de la galaxia en los filtros F200W, F277W y F444W.
Nuestras imágenes del GRB 221009A (fila superior), modelos GALFIT de galaxias mejor ajustados (fila central) e imágenes sustraídas del modelo GALFIT (fila inferior). Las imágenes se muestran con el norte hacia arriba y el este hacia la izquierda. Se detecta una clara fuente puntual en la ubicación del GRB 221009A. El rectángulo rojo muestra la orientación de la rendija de NIRSpec. La fotometría PSF de GRB 221009A se realizó en las imágenes sustraídas de la galaxia. La galaxia anfitriona está bien descrita por un único componente Sérsic, aunque queda algo de estructura residual de la galaxia en los filtros F200W, F277W y F444W. Crédito: Peter K. Blanchard et al. / Nature Astronomy

Una supernova «normal»

En lugar de observar el evento de inmediato, Blanchard, su colaboradora cercana Ashley Villar de la Universidad de Harvard y su equipo quisieron ver el GRB durante sus fases posteriores. Aproximadamente seis meses después de que se detectara inicialmente el GRB, Blanchard utilizó el JWST para examinar sus secuelas.

El GRB fue tan brillante que oscureció cualquier posible firma de supernova en las primeras semanas y meses posteriores al estallido, dijo Blanchard. En estos momentos, el llamado resplandor posterior del GRB era como los faros de un automóvil que se acerca directamente a ti, lo que te impide ver el automóvil mismo. Así que tuvimos que esperar a que se desvaneciera significativamente para tener la oportunidad de ver la supernova.

Blanchard utilizó el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano del JWST para observar la luz del objeto en longitudes de onda infrarrojas. Fue entonces cuando vio la firma característica de elementos como calcio y oxígeno que se encuentran típicamente dentro de una supernova. Sorprendentemente, no era excepcionalmente brillante, como el GRB increíblemente brillante que lo acompañaba.

No es más brillante que supernovas anteriores, dijo Blanchard. Se ve bastante normal en el contexto de otras supernovas asociadas con GRBs menos energéticos. Podrías esperar que la misma estrella en colapso que produce un GRB muy energético y brillante también produjera una supernova muy energética y brillante. Pero resulta que no es el caso. Tenemos este GRB extremadamente luminoso, pero una supernova normal.

Ausentes: elementos pesados

Después de confirmar, por primera vez, la presencia de la supernova, Blanchard y sus colaboradores buscaron evidencia de elementos pesados dentro de ella. Actualmente, los astrofísicos tienen una imagen incompleta de todos los mecanismos en el universo que pueden producir elementos más pesados que el hierro.

El mecanismo principal para producir elementos pesados, el proceso rápido de captura de neutrones, requiere una alta concentración de neutrones. Hasta ahora, los astrofísicos solo han confirmado la producción de elementos pesados a través de este proceso en la fusión de dos estrellas de neutrones, una colisión detectada por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) en 2017. Pero los científicos dicen que debe haber otras formas de producir estos materiales esquivos. Simplemente hay demasiados elementos pesados en el universo y muy pocas fusiones de estrellas de neutrones.

Probablemente haya otra fuente, dijo Blanchard. Se necesita mucho tiempo para que dos estrellas de neutrones binarias se fusionen. Dos estrellas en un sistema binario primero tienen que explotar para dejar atrás estrellas de neutrones. Luego, pueden pasar miles de millones y miles de millones de años para que las dos estrellas de neutrones se acerquen lentamente y finalmente se fusionen. Pero las observaciones de estrellas muy antiguas indican que partes del universo se enriquecieron con metales pesados antes de que la mayoría de las estrellas de neutrones binarias tuvieran tiempo de fusionarse. Eso nos está señalando a un canal alternativo.

Los astrofísicos han hipotetizado que los elementos pesados también podrían ser producidos por el colapso de una estrella masiva que gira rápidamente, el mismo tipo de estrella que generó el B.O.A.T. Utilizando el espectro infrarrojo obtenido por el JWST, Blanchard estudió las capas internas de la supernova, donde se deberían formar los elementos pesados.

El material explotado de la estrella es opaco en tiempos tempranos, por lo que solo puedes ver las capas externas, dijo Blanchard. Pero una vez que se expande y enfría, se vuelve transparente. Luego puedes ver los fotones provenientes de la capa interna de la supernova.

Además, diferentes elementos absorben y emiten fotones en diferentes longitudes de onda, dependiendo de su estructura atómica, lo que le da a cada elemento una firma espectral única, explicó Blanchard. Por lo tanto, al observar el espectro de un objeto, podemos saber qué elementos están presentes. Al examinar el espectro del B.O.A.T., no vimos ninguna firma de elementos pesados, lo que sugiere que eventos extremos como GRB 221009A no son fuentes primarias. Esta es información crucial mientras continuamos intentando determinar dónde se forman los elementos más pesados.

¿Por qué tan brillante?

Para separar la luz de la supernova de la del brillante resplandor posterior que la precedió, los investigadores combinaron los datos del JWST con observaciones del Conjunto de Telescopios de Milímetros/Submilímetros de Atacama (ALMA) en Chile.

Incluso varios meses después de que se descubriera el estallido, el resplandor posterior era lo suficientemente brillante como para contribuir con mucha luz en los espectros del JWST, dijo Tanmoy Laskar, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah y coautor del estudio. Combinar datos de los dos telescopios nos ayudó a medir exactamente qué tan brillante era el resplandor posterior en el momento de nuestras observaciones con el JWST y nos permitió extraer cuidadosamente el espectro de la supernova.

Aunque los astrofísicos aún no han descubierto cómo una supernova «normal» y un GRB récord fueron producidos por la misma estrella colapsada, Laskar dijo que podría estar relacionado con la forma y estructura de los chorros relativistas. Cuando las estrellas masivas que giran rápidamente colapsan en agujeros negros, producen chorros de material que se lanzan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Si estos chorros son estrechos, producen un haz de luz más enfocado, y más brillante.

Es como enfocar el haz de una linterna en una columna estrecha, en lugar de un haz amplio que se extiende por toda una pared, dijo Laskar. De hecho, estos fueron unos de los chorros más estrechos vistos para un estallido de rayos gamma hasta ahora, lo que nos da una pista sobre por qué el resplandor posterior parecía tan brillante como lo hizo. También puede haber otros factores responsables, una pregunta que los investigadores estudiarán en los próximos años.

Pistas adicionales también pueden venir de estudios futuros de la galaxia en la que ocurrió el B.O.A.T. Además de un espectro del propio B.O.A.T., también obtuvimos un espectro de su galaxia ‘anfitriona’, dijo Blanchard. El espectro muestra signos de una intensa formación estelar, lo que sugiere que el entorno de nacimiento de la estrella original puede ser diferente que eventos anteriores.

El miembro del equipo Yijia Li, estudiante de posgrado en la Universidad Estatal de Pensilvania, modeló el espectro de la galaxia, encontrando que la galaxia anfitriona de B.O.A.T. tiene la menor metalicidad, una medida de la abundancia de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, de todas las galaxias anfitrionas de GRB anteriores. Este es otro aspecto único del B.O.A.T. que puede ayudar a explicar sus propiedades, dijo Li.


Fuentes

Nortwestern University | Blanchard, P.K., Villar, V.A., Chornock, R. et al. JWST detection of a supernova associated with GRB 221009A without an r-process signature. Nat Astron (2024). doi.org/10.1038/s41550-024-02237-4


  • Comparte este artículo:

Something went wrong. Please refresh the page and/or try again.