[VÍDEO] Una explosió còsmica excepcional desafia la teoria dels raigs gamma

Un observatori de Namíbia ha registrat la radiació més energètica i la resplendor de raigs gamma més llarg d’una explosió de raigs gamma (GRB). Les observacions fetes amb el Sistema Estereoscòpic d’Alta Energia (HESS) desafien la idea establerta de com es generen els raigs gamma en aquestes colossals explosions estel·lars, que es produeixen quan es formen els forats negres, segons que informa l’equip internacional d’investigadors a la revista Science.

“Els esclats de raigs gamma són espurnes brillants de raigs X i gamma observats en el cel, emesos per fonts extragalàctiques distants”, explica en un comunicat la científica del Sincrotró Alemany d’Electrons (DESY) Sylvia Zhu, una de les autores de l’article.

“Són les explosions més grans de l’univers i van associades al col·lapse d’una estrella massiva que gira ràpidament fins a convertir-se en un forat negre. Una fracció de l’energia gravitacional alliberada alimenta la producció d’una ona expansiva ultrarelativista. La seva emissió es divideix en dues fases: una fase inicial d’impuls caòtic que dura desenes de segons, seguida d’una fase de resplendor de llarga durada i esvaniment suau.”

El 29 d’agost de 2019, els satèl·lits Fermi i Swift van detectar una explosió de raigs gamma en la constel·lació d’Eridanus. L’esdeveniment, catalogat com a GRB 190829A segons la data en què va ocórrer, va ser un dels esclats de raigs gamma més pròxims observats fins ara, amb una distància d’uns mil milions d’anys llum. Per comparar, l’esclat habitual de raigs gamma és a uns vint mil milions d’anys llum.

“Érem asseguts a primera fila quan hi va haver aquesta explosió de raigs gamma”, celebra el coautor Andrew Taylor, del DESY. L’equip va captar la resplendor posterior a l’explosió immediatament quan es va fer visible per als telescopis HESS. “Vam poder observar la resplendor posterior durant diversos dies i energies de raigs gamma sense precedents”, afegeix Taylor.

La distància comparativament curta a aquest esclat de raigs gamma va permetre de fer mesures detallades de l’espectre de la resplendor, que és la distribució de “colors” o energies dels fotons de la radiació, en el rang d’energia molt alt.

“Vam poder determinar l’espectre del GRB 190829A fins a una energia de 3,3 tera-electronvolts, és a dir, un bilió de vegades més energètic que els fotons de la llum visible”, explica la coautora Edna Ruiz-Velasco, de l’Institut Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, a Alemanya. Aquest és el fet excepcional d’aquest esclat de raigs gamma: “Va passar al nostre pati del darrere còsmic, on els fotons d’energia molt alta no van ser absorbits en col·lisions amb la llum de fons en el seu camí cap a la Terra, com passa en distàncies més grans al cosmos.“

L’equip va seguir la resplendor posterior tres dies després de l’explosió inicial. El resultat va ser una sorpresa: “Les nostres observacions van revelar similituds curioses entre l’emissió de raigs X i la de raigs gamma de molt alta energia de la resplendor posterior a l’explosió”, informa Zhu.

Les teories establertes assumeixen que els dos components de l’emissió han de ser produïts per mecanismes separats: el component de raigs X s’origina en electrons ultraràpids que són desviats en els forts camps magnètics dels voltants de l’explosió. Aquest procés de “sincrotró” és força similar a la manera com els acceleradors de partícules de la Terra produeixen raigs X brillants per a les investigacions científiques.

No obstant això, segons les teories existents, semblava molt improbable que fins i tot les explosions més potents de l’univers poguessin accelerar prou els electrons per a produir directament els raigs gamma de molt alta energia observats.

Això es deu al “límit de cremat”, que ve determinat per l’equilibri entre l’acceleració i el refredament de les partícules dins d’un accelerador. La producció de raigs gamma de molt alta energia requereix electrons amb energies molt superiors al límit de cremat. En canvi, les teories actuals suposen que en un esclat de raigs gamma, els electrons ràpids col·lisionen amb els fotons de sincrotró i, per tant, els impulsen a energies de raigs gamma en un procés anomenat sincrotró auto-compton.

Però les observacions de la resplendor posterior del GRB 190829A mostren ara que tots dos components, els raigs X i els raigs gamma, es van esvair de manera sincronitzada. A més, l’espectre de raigs gamma coincidia clarament amb una extrapolació de l’espectre de raigs X. En conjunt, aquests resultats són un indici clar que els raigs X i els raigs gamma de molt alta energia d’aquesta resplendor es van produir pel mateix mecanisme.

“És bastant inesperat observar característiques espectrals i temporals tan similars a les bandes d’energia dels raigs X i dels raigs gamma de molt alta energia, si l’emissió en aquests dos rangs d’energia tingués orígens diferents”, afirma el coautor Dmitry Khangulyan, de la Universitat Rikkyo, a Tòquio. “Això representa un repte per a l’origen sincrotró auto-compton de l’emissió de raigs gamma de molt alta energia”.

La gran implicació d’aquesta possibilitat posa de manifest la necessitat de fer més estudis sobre l’emissió de GRB de molt alta energia. El GRB 190829A és només la quarta explosió de raigs gamma detectada des de la Terra. No obstant això, les anteriors explosions detectades es van produir molt més lluny en el cosmos i la seva resplendor posterior només va poder observar-se durant unes hores cadascuna i no fins energies superiors a un tera-electronvolt (TeV).

“Mirant cap al futur, les perspectives de detecció d’esclats de raigs gamma mitjançant instruments de nova generació com el Cherenkov Telescope Array que s’està construint actualment als Andes xilens i a l’illa canària de la Palma semblen prometedores”, diu el portaveu de l’ HESS, Stefan Wagner, de l’observatori estatal Heidelberg-Königstuhl.

“L’abundància general d’esclats de raigs gamma ens porta a esperar que les deteccions regulars a la banda de molt alta energia es tornin bastant comuns, ajudant-nos a entendre completament la seva física”, conclou.