La explosión espacial más brillante de la historia revela posibles indicios de materia oscura

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Ol domingo 9 de octubre, Judith Racusin estaba a 35,000 pies en el aire, en camino a una conferencia de astrofísica de alta energía, cuando tuvo lugar la mayor explosión cósmica de la historia. “Aterricé, miré mi teléfono y tenía docenas de mensajes”, dijo Racusin, astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Maryland. “Fue realmente excepcional”.

La explosión fue un largo estallido de rayos gamma, un evento cósmico en el que una estrella moribunda masiva libera poderosos chorros de energía al colapsar en un agujero negro o una estrella de neutrones. Este estallido en particular fue tan brillante que sobresaturaba el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, un telescopio orbital de la NASA diseñado en parte para observar tales eventos. “Había tantos fotones por segundo que no podían seguir el ritmo”, dijo Andrew Levan, astrofísico de la Universidad de Radboud en los Países Bajos. El estallido incluso parece haber causado que la ionosfera de la Tierra, la capa superior de la atmósfera terrestre, aumentara de tamaño durante varias horas. “El hecho de que puedas cambiar la ionosfera de la Tierra desde un objeto en la mitad del universo es bastante increíble”, dijo Doug Welch, astrónomo de la Universidad McMaster en Canadá.

Los astrónomos lo llamaron descaradamente el BARCO, “el más brillante de todos los tiempos”, y comenzaron a exprimirlo para obtener información sobre los estallidos de rayos gamma y el cosmos en general. “Incluso dentro de 10 años habrá una nueva comprensión de este conjunto de datos”, dijo Eric Burns, astrofísico de la Universidad Estatal de Luisiana. “Todavía no me ha dado cuenta de que esto realmente sucedió”.

El análisis inicial sugiere que hay dos razones por las que el BARCO era tan brillante. Primero, ocurrió a unos 2.400 millones de años luz de la Tierra, bastante cerca de los estallidos de rayos gamma (aunque bastante fuera de nuestra galaxia). También es probable que el poderoso chorro del BARCO apuntara hacia nosotros. Los dos factores se combinaron para hacer de este el tipo de evento que ocurre solo una vez cada pocos cientos de años.

Quizás la observación más importante ocurrió en China. Allí, en la provincia de Sichuan, el Observatorio de grandes lluvias de aire a gran altitud (LHAASO) rastrea partículas de alta energía desde el espacio. En la historia de la astronomía de los estallidos de rayos gamma, los investigadores han visto solo unos pocos cientos de fotones de alta energía provenientes de estos objetos. LHAASO vio 5.000 de este evento. “El estallido de rayos gamma básicamente estalló en el cielo directamente sobre ellos”, dijo Sylvia Zhu, astrofísica del Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY) en Hamburgo.

Entre esas detecciones se encontraba un fotón sospechoso de alta energía a 18 teraelectronvoltios (TeV), cuatro veces más alto que cualquier cosa vista en un estallido de rayos gamma antes y más energético que las energías más altas alcanzables por el Gran Colisionador de Hadrones. Un fotón de tan alta energía debería haberse perdido en el camino a la Tierra, absorbido por las interacciones con la luz de fondo del universo.

Entonces, ¿cómo llegó aquí? Una posibilidad es que, tras el estallido de rayos gamma, un fotón de alta energía se convirtiera en una partícula similar a un axión. Los axiones son partículas ligeras hipotéticas que pueden explicar la materia oscura; Se cree que las partículas similares a axiones son un poco más pesadas. Los fotones de alta energía podrían convertirse en tales partículas mediante fuertes campos magnéticos, como los que rodean una estrella en implosión. La partícula similar a un axión viajaría entonces a través de la inmensidad del espacio sin obstáculos. Cuando llegara a nuestra galaxia, los campos magnéticos lo convertirían nuevamente en un fotón, que luego se dirigiría a la Tierra.

En la semana posterior a la detección inicial, varios equipos de astrofísicos sugirieron este mecanismo en documentos subidos al sitio de preimpresión científica arxiv.org. “Sería un descubrimiento increíble”, dijo Giorgio Galanti, astrofísico del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) de Italia, coautor de uno de los primeros artículos.

Sin embargo, otros investigadores se preguntan si la detección de LHAASO podría ser un caso de identidad equivocada. Tal vez el fotón de alta energía provino de algún otro lugar, y su tiempo de llegada justo fue simplemente una coincidencia. “Soy muy escéptica”, dijo Milena Crnogorčević, astrofísica de la Universidad de Maryland. “Actualmente me estoy inclinando a que sea un evento de fondo”. (Para complicar aún más las cosas, un observatorio ruso informó el impacto de un fotón de 251 TeV de energía aún mayor proveniente del estallido. Pero “el jurado aún está deliberando”, dijo Racusin, científico adjunto del proyecto en el telescopio Fermi. soy un poco escéptico.”)

Hasta ahora, el equipo de LHAASO no ha publicado resultados detallados de sus observaciones. Burns, quien está coordinando una colaboración global para estudiar el BOAT, espera que así sea. “Tengo mucha curiosidad por ver lo que tienen”, dijo. Pero entiende por qué puede estar justificado cierto grado de cautela. “Si tuviera datos que tuvieran incluso un pequeño porcentaje de posibilidades de ser una prueba definitoria de la materia oscura, sería extraordinariamente cauteloso en este momento”, dijo Burns. Si el fotón se puede vincular al BOAT, “es muy probable que sea evidencia de nueva física y potencialmente materia oscura”, dijo Crnogorčević. El equipo de LHAASO no respondió a una solicitud de comentarios.

Incluso sin los datos de LHAASO, la gran cantidad de luz vista desde el evento podría permitir a los científicos responder algunas de las preguntas más importantes sobre los estallidos de rayos gamma, incluidos los principales acertijos sobre el chorro en sí. “¿Cómo se lanza el jet? ¿Qué está pasando en el chorro mientras se propaga hacia el espacio? dijo Tyler Parsotan, un astrofísico de Goddard. “Esas son preguntas realmente importantes”.

Otros astrofísicos esperan usar el BOAT para determinar por qué solo algunas estrellas producen estallidos de rayos gamma cuando se convierten en supernovas. “Ese es uno de los grandes misterios”, dijo Yvette Cendes, astrónoma del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian. “Tiene que ser una estrella muy masiva. Una galaxia como la nuestra tal vez cada millón de años produzca un estallido de rayos gamma. ¿Por qué una población tan rara hace estallidos de rayos gamma?

Si los estallidos de rayos gamma dan como resultado un agujero negro o una estrella de neutrones en el núcleo de la estrella colapsada, también es una pregunta abierta. Un análisis preliminar del BOAT sugiere que lo primero sucedió en este caso. “Hay tanta energía en el chorro que básicamente tiene que ser un agujero negro”, dijo Burns.

Lo que es seguro es que este es un incidente cósmico que no será eclipsado por muchas, muchas vidas. “Estaremos todos muertos mucho antes de que tengamos la oportunidad de hacer esto de nuevo”, dijo Burns.

Imagen principal: Los anillos alrededor del estallido, vistos aquí en datos coloreados del observatorio Swift de la NASA, se formaron cuando los rayos X se dispersaron del polvo oculto en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Crédito: Observatorio Swift de la NASA; Procesamiento: Jon Miller.

Este artículo fue publicado originalmente en el Abstracciones cuánticas Blog.



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