Brotes de rayos gamma

Las explosiones más energéticas del universo conocido ocurren a diario pero siguen siendo, en gran medida, un misterio.

Imagínate una explosión. Una gorda. Gordísima. ¿Como la bomba Zar (~2,1 x 10¹⁷ J) o la erupción del Krakatoa (~8 x 10¹⁷ J)? No, no, qué va. Eso son petardillos. ¿Quizá como el impacto que se cargó a los dinosaurios (~5 x 10²³ J)? Ni de lejos. Mucho más. Bueno, pues... ¿qué tal una supernova (~1 foe, o 10⁴⁴ J)? ¡Ahora empezamos a entendernos! Por ahí empiezan a andar los brotes de rayos gamma (GRB), que vienen a ser como esto de los brotes verdes, pero aún más a lo bestia. Algunos, como GRB 080916C, detectado en la constelación de Carina el 16 de septiembre de 2008, llegan a los 8,8 x 10⁴⁷ J; lo que los convierte en los fenómenos más energéticos del universo presente, en competencia directa (y seguramente vinculados con) algunas hipernovas.

El descubrimiento de los brotes de rayos gamma fue casual, derivado de los miedos de la Guerra Fría. Los Estados Unidos temieron que la Unión Soviética pudiera realizar pruebas atómicas en el espacio tras la firma del Tratado de prohibición parcial de ensayos nucleares de 1963, así que lanzaron unos satélites para saber si tal cosa sucedía. Estos fueron los satélites Vela (del español velador, término con el que se conoce popularmente en Nuevo México a los vigilantes nocturnos), con detectores para captar las potentes emisiones de rayos X, gamma y neutrones que caracterizan a las explosiones atómicas. Pero, un momento: ¿qué es esto de los rayos gamma?

De los espectros de la luz y sus colores.

Ya te conté en este blog lo que es la radiactividad. También hemos tocado alguna vez, aunque más por encima, lo del espectro electromagnético. Verás: hay un montón de fenómenos en este universo que son capaces de emitir fotones, en forma de ondas electromagnéticas, a frecuencias muy distintas. La forma más conocida de radiación electromagnética es la que pueden ver nuestros ojos: la luz. Otra que también conocemos todos es la radio. Y seguro que también te suenan los rayos X, que se usan para hacer radiografías.

Todos estos fenómenos son exactamente lo mismo: radiación electromagnética, a distintas frecuencias de onda. Por ejemplo, la radio funciona a frecuencias más bajas que la luz, mientras que los rayos X lo hacen a frecuencias más altas. Nuestros ojos no son más que receptores de esta radiación electromagnética, pero sólo pueden captarla en ese estrecho rango de frecuencias entre (más o menos) 390 y 700 nanómetros (nm) al que llamamos "luz." Y los colores son las distintas frecuencias de este rango que podemos ver. Por ejemplo, si la luz que llega a nuestros ojos lo hace en la parte baja de estas frecuencias, en torno a los 700 nm, la vemos de color rojo. Si, por el contrario, está en la parte alta, vemos el color añil (420 - 450 nm) o incluso el violeta (380 - 420 nm). Entre medias están, por ejemplo, el amarillo (570 - 590 nm), el verde (495 - 570 nm) o el azul (450 - 495 nm). Así es como nuestros ojos ven el mundo que nos rodea, a todo color.

¿Y qué pasa cuando la frecuencia de esta radiación está por encima o por debajo de ese rango que podemos ver? Bueno, pues que... ya no podemos verla. :-P Nuestros ojos no dan para más. Pero eso no significa que no esté ahí, o que no podamos construir aparatos para captarla. Por ejemplo, un receptor de radio (o de televisión, o de telefonía móvil, o del Wi-Fi de Internet...) no es sino una especie de "ojo" que los humanos sabemos fabricar para "ver" esta "luz invisible" cuando su frecuencia es inferior a cien micrómetros, y podemos usarla para transmitir cosas como el Sálvame, las solicitudes de aterrizaje al controlador de tráfico aéreo o nuestros mensajes del WhatsApp. El radar también funciona en este rango de frecuencias inferiores a las de la luz visible. O los microondas.

Se da la circunstancia de que la frecuencia de estas ondas electromagnéticas está directamente relacionada con su energía. Cuanto más alta la energía, más alta la frecuencia, y viceversa. A frecuencias muy altas, por encima de la luz visible, los fotones vienen tan bravos que son capaces de ionizar la materia con la que se encuentran. Decimos entonces que esa radiación electromagnética se ha convertido en una forma de radiación ionizante, y esto son ya las cosas que hace la radiactividad. A energías y frecuencias muy altas, más allá de los rayos X, la llamamos radiación gamma, o rayos gamma. O sea, que los rayos gamma son como la luz, o las ondas de radio, sólo que a las energías y frecuencias más altas de todo el espectro electromagnético. En este caso, los aparatos adecuados para "verlos" son los contadores Geiger u otros dispositivos por el estilo.

La anomalía Vela.

Hay diversos fenómenos capaces de producir rayos gamma, tanto naturales como artificiales. Entre ellos se cuentan, por supuesto, la detonación de armas nucleares, que los generan en cantidades enormes. Por esta razón, esos satélites Vela de los amerikantsy que te contaba al principio llevaban dispositivos para detectarlos y así saber si alguien se había saltado el tratado con una prueba atómica en el espacio.

Y a las 14:19 UTC del 2 de julio de 1967, efectivamente, los satélites Vela 3 y Vela 4 detectaron una emisión masiva de rayos gamma. Sólo había un pequeño problema. Esta emisión no se parecía en nada a la de un arma nuclear, que suele consistir en uno o dos brevísimos pulsos con menos de una millonésima de segundo de duración y una milésima de separación. (En la práctica, con la tecnología de la época, incapaz de distinguir los dos rapidísimos pulsos de un arma termonuclear, un solo flash inicial seguido de un progresivo "fundido a negro.") Pero lo que detectaron Vela 3 y 4 era algo totalmente distinto: dos pulsos, el primero de un cuarto de segundo largo y el siguiente de dos o tres segundos, separados por un segundo completo entre sí. Esto:

Y esto no se corresponde con ningún diseño conocido o teorizado de un arma nuclear (o termonuclear.) No es posible, simplemente no funcionan así. Esto era un fenómeno totalmente nuevo y distinto; lo que viene siendo un descubrimiento. Pero, lamentablemente, los satélites Vela 3 y 4 eran demasiado primitivos para determinar el origen de la emisión. Sus científicos al cargo intuyeron acertadamente que se trataba de alguna clase de enigma astrofísico... y, como no tenía relevancia militar y además el programa era secreto, lo archivaron. No se publicó hasta 1973. Ahora lo conocemos como el brote de rayos gamma GRB 670702 (GRB, por gamma ray burst y 67/07/02 por 2 de julio de 1967), y fue el primero que conoció la humanidad.

La (casi) inconcebible explosión.

Al principio, se pensó que estos brotes de rayos gamma eran fenómenos que ocurrían en nuestra propia galaxia, y por tanto no eran tan energéticos (o sea, creíamos que eran como una lámpara que brillaba más cerca, y por tanto no brillaba tan fuerte.) Sin embargo, el 8 de mayo de 1997, el satélite ítalo-holandés BeppoSAX detectó uno llamado GRB 970508, y pudieron determinar que había sucedido a seis mil millones de años-luz de la Tierra, es decir, una barbaridad: unos sesenta mil trillones de kilómetros. Eso es un seis seguido de veintidós ceros. Con la nave espacial más veloz que hemos construido hasta el momento, necesitarías unas ocho mil trescientas veces la edad del universo para llegar hasta allí. Yendo en línea recta y ligerito.

Desde entonces, se ha establecido que todos los brotes de rayos gamma detectados hasta la actualidad proceden de fuera de la Vía Láctea, y muy lejos. El más cercano de todos, GRB 980425, fue captado en una galaxia situada a 125 millones de años-luz. O sea, unas cincuenta veces más lejos que M31 Andrómeda, bien fuera de nuestro Supercúmulo Local (ver Esta es tu dirección, en este mismo blog.) Por el extremo contrario, el más distante –GRB 090429B– procede del universo primitivo, a 13.140 millones de años-luz (z = 9,4), lo que lo convierte en uno de los sucesos más remotos y antiguos que hemos observado. En principio nada impide que pueda formarse uno en nuestra propia galaxia, pero hasta ahora vienen todos de muy, muy lejos. Se ha postulado que un brote de rayos gamma próximo podría provocar una extinción masiva en la Tierra, pero eso probablemente no ha ocurrido en todo el tiempo que llevamos aquí (pese a que existen algunas dudas sobre el agente que disparó las extinciones masivas del Ordovícico-Silúrico, hace unos 440 millones de años.)

Resultó que son un fenómeno bastante común: estamos detectando uno cada día, de promedio, todos ellos a distancias inmensas. Como te digo, el más cercano de todos fue GRB 980425, a 125 millones de años-luz. Pero no presentan ninguna periodicidad específica y no hay dos iguales; cada brote de rayos gamma tiene una firma característica. Sin embargo, sí que los hay de dos tipos: los cortos y los largos. Los cortos duran menos de dos segundos y presentan un afterglow (postluminiscencia, a menudo visible en el espectro óptico) muy breve. Los largos son los que duran más de dos segundos, y algunos mucho más. Unos cuantos superan los 10.000 segundos, y se les llama ultralargos. Y luego hay otros –por ejemplo, GRB 110328A– que pueden durar dos días y seguir detectándose en la banda de rayos X durante meses, a los que se les llama en inglés tidal disruption events, lo que se podría traducir como sucesos de ruptura por marea.

Durante mucho tiempo, los astrofísicos se dedicaron a buscar objetos que pudieran producir estos brotes de rayos gamma, sin encontrar ninguno en particular. Esto sugería que se originan en estrellas o galaxias muy lejanas, de las que el cielo está lleno. Satélites científicos como el soviético Granat, el estadounidense HETE-2, Swift, Fermi o el Compton Gamma Ray Observatory, junto a elementos de la red internacional ISON, entre otros, permitieron estudiarlos con mayor profundidad. Buscaban, fundamentalmente, a los progenitores; esto es, qué clase de fenómeno es capaz de producir semejantes salvajadas de energía en un tiempo tan breve.

A finales del siglo pasado y principios de este fue quedando generalmente aceptado que al menos algunos brotes largos se originan en ciertas hipernovas, una cosa parecida a las supernovas, pero todavía más a lo bruto. ¿Y qué son estas supernovas, o hipernovas?

De la muerte de las estrellas.

Todas las estrellas, como nuestro Sol, son básicamente grandes aglomeraciones de hidrógeno (el elemento más común del universo, con mucha diferencia, procedente de la nucleosíntesis primordial) que tienden a colapsar sobre sí mismas por la acción de la gravedad. Conforme "caen sobre sí mismas", hay un punto donde la presión, y con ella la temperatura, son tan altas que el hidrógeno comienza a fusionar en una reacción termonuclear que produce, mayormente, helio y grandes cantidades de energía. Entonces la estrella naciente se agita como en un parto un poco cabrón hasta encontrar un punto de equilibrio entre la gravedad que sigue haciéndola colapsar y toda esa energía que tiende a disgregarla. La mayoría acaban estabilizándose en algún punto de la secuencia principal. Así nace una estrella. Durante su vida, produce también el resto de elementos que conocemos, mediante el proceso de nucleosíntesis estelar. De la nucleosíntesis primordial y estelar salen todos los átomos que nos constituyen, todo lo que somos.

Al igual que tú y que yo, las estrellas no viven para siempre. Conforme van consumiendo su hidrógeno, comienzan a morir. Pero mueren de distintas maneras, dependiendo más que nada de su tamaño. Las más pequeñas, duraderas y corrientes (más del 76,5% de las que hay en el cielo) son enanas rojas (hasta un 40% de la masa de nuestro Sol.) Las enanas rojas van fusionando su hidrógeno muy lentamente, tanto que continúan todas ahí y seguirán durante muchísimo tiempo. Estimamos que muy poquito a poco irán transformándose en enanas azules, blancas y finalmente negras. O sea, que morirán apagándose pacíficamente. Para cuando se apaguen las últimas, este universo habrá dejado ya de producir estrellas nuevas, habrá abandonado la era estelerífera y se adentrará profundamente en la era degenerada, camino de la de los agujeros negros, la era oscura y la muerte térmica. O cualquiera otra de las formas curiosas como desapareceremos. Todas estas cantidades de tiempo se miden en potencias muy altas de diez; lo que comúnmente llamamos eternidad (aunque técnicamente no lo sea ;-) ).

Luego tenemos, por ejemplo, las enanas naranjas y las amarillas, como nuestro Sol. Estas son más bravitas y aunque viven mucho menos (unos 10.000 millones de años), se niegan a morir sin dar algo de guerra. Cuando una enana amarilla agota el hidrógeno de su núcleo, comienza a expandirse hasta convertirse en una gigante roja durante algún tiempo (este será el momento en que el Sol abrasará definitivamente la Tierra), hasta sufrir un primer estertor bastante violento llamado el flash del helio, porque es el momento en el que empieza a fusionar... eso, helio, mediante el proceso triple-alfa, produciendo carbono. Durante estos fenómenos, la estrella pierde buena parte de su masa original en forma de espectaculares nebulosas planetarias. Al final termina convertida también en una enana blanca, como les ocurría a las enanas rojas del párrafo anterior, y va apagándose poco a poco hasta quedar igualmente reducida a una enana negra por los siglos de los siglos.

Sin embargo, en este universo hay estrellas mucho mayores, como las supergigantes e hipergigantes. Por convención, las supergigantes tienen como mínimo ocho veces más masa que nuestro Sol y las hipergigantes pueden pasar de cien masas solares. Se suponía que hay un límite máximo de 120 a 150 masas solares por encima del cual las estrellas no pueden darse en este periodo de la historia del universo. Sin embargo, ahora sabemos que existen cosas como R136a1, una Wolf-Rayet a la que le estimamos unas 265 masas solares Así que en estos momentos no tenemos muy claro dónde está ese límite máximo, si es que lo hay; creen que esta clase de monstruos son el resultado de la unión de varias estrellas más pequeñas. Por cierto que, hablando de tamaño, estas estrellas con tanta masa no son necesariamente las más grandes en volumen, y de hecho no lo son. Las estrellas más voluminosas, "más grandes" que conocemos son otras distintas, como UY del Escudo o NML del Cisne, que "sólo" tienen unas decenas de masas solares, pero su radio es en torno a 1.700 veces mayor. Si nuestro Sol fuese así, llegaría hasta cerca de Saturno y tanto nosotros como Mercurio, Venus, Marte y Júpiter estaríamos dentro. O, mejor dicho, no estaríamos.

Estas gigantonas viven muy poquito tiempo, apenas unos millones de años, pero no les gusta morirse por las buenas. Tienen la molesta costumbre de irse con unas despedidas francamente violentas a las que llamamos supernovas y, cuando el petardazo es descomunal, hipernovas. Como te decía al principio, expresar la potencia de estas explosiones a escalas humanas es difícil: una supernova normalita es entre 500 y 1.000 cuatrillones de veces más energética que la bomba termonuclear más poderosa que hicimos jamás. Vamos a intentarlo. Imagínate todos los granos de arena de todas las playas de la Tierra. Supón que cada grano de arena es una bomba del Zar. Hazlas estallar todas a la vez. Y ahora multiplícalo por entre 500.000 y un millón. Esa es la energía de una sola supernova común. Cuando explotan, brillan más que toda la galaxia por unos instantes. Y si hablamos de una hipernova, vuélvelo a multiplicar por cien. Además, no se conforman con eso, las jodías. Después, se convierten en una estrella de neutrones o incluso un agujero negro (y no, Stephen Hawking no dijo que los agujeros negros no existan, al menos para los que nos gusta leer las frases completas antes de abrir la boca.)

Los astrófísicos siguen estudiando los mecanismos exactos que causan estas explosiones fabulosas, pero en general, se sabe que hay al menos dos causas distintas: el embalamiento térmico por ignición rápida del carbono y el colapso gravitatorio del núcleo estelar. Y se ha podido establecer una correlación entre algunas de estas supernovas –o hipernovas– que estallan por colapso gravitatorio y algunos brotes de rayos gamma largos, como GRB 980425 o GRB 030329. Así, los brotes de rayos gamma podrían ser los jets relativistas que se originarían al formarse la estrella de neutrones o el agujero negro, cuando coincide que apuntan directos hacia la Tierra. Esto de los jets relativistas es otra barbaridad cósmica, monstruosas emisiones de materia en estado plasmático a casi la velocidad de la luz que pueden tener cientos de miles de años-luz de longitud. Ya hablaremos de ellos en otro momento.

Según la explicación convencional, que le tomo prestada a la Universidad de Stanford, un brote de rayos gamma funcionaría más o menos así: bien porque una estrella gigantesca agoniza en forma de hipernova, o por la unión de dos objetos muy densos y compactos (como dos estrellas de neutrones), surge un agujero negro. El primer caso produciría los brotes largos y el segundo, los cortos. Los gases que quedan alrededor constituyen un disco de acreción que, al interactuar con el agujero negro, generan por sus "polos" un par de estos jets relativistas de partículas elementales propulsadas a velocidades muy próximas a las de la luz, más rayos gamma de baja energía.

En estos jets ni la presión, ni la temperatura ni la densidad son uniformes, lo que genera ondas de choque internas cuando sus partes más rápidas chocan con las más lentas. Conforme el jet se aleja del agujero negro recién formado, hace también impacto contra el medio interestelar, creando unas nuevas ondas de choque: las "externas." Estas ondas de choque aceleran las partículas aún más. Pero, al mismo tiempo, las partículas interactúan con los campos magnéticos circundantes, que durante un fenómeno así son muy potentes. Esto hace que pierdan parte de su energía emitiendo fotones mediante radiación sincrotrónica y efecto Compton inverso.

El saldo entre la energía ganada como consecuencia de las ondas de choque y la perdida mediante radiación sincrotrónica determina la energía máxima de los fotones emitidos. Los de más alta energía constituyen el brutal pico de rayos gamma que componen el brote. Los de menor energía darían lugar a la postluminiscencia ("afterglow") que se observa después del brote. Es decir, como en este esquema:

El resultado sería algo muy parecido a lo que se ve en este video producido por el Centro Goddard de la NASA:

Ver vídeo

Sin embargo, el 27 de abril de 2013, detectamos otro muy potente: GRB 130427A, por ahí por la constelación de Leo, a unos 3.600 millones de años-luz de distancia. Su larga duración y su brillo extremo permitieron que nuestros instrumentos más modernos lo registrasen con todo detalle. Y, como decía mi abuelo, se llevó por delante un buen porción de todas estas hipótesis. En esencia, las características de GRB 130427A son incompatibles con la idea de que la postluminiscencia ("afterglow") tenga su origen en un fenómeno de radiación sincrotrónica. Con lo cual, al menos esa parte del modelo, y puede que el modelo entero, se nos va a tomar por donde tú ya sabes.

¿Te cuento la verdad sencilla? La verdad sencilla es que todavía no lo tenemos claro. Incluso antes de que este GRB 130427A nos diese la sorpresa, no teníamos ningún modelo que explicase todos los brotes de rayos gamma observados. Hay indicios, pistas, correlaciones, opiniones, conjeturas, hipótesis bien fundadas, pero eso es todo. Y en cuanto a los sucesos de ruptura por marea (tidal disruption events), los llamamos así porque nos parece que ocurren cuando un agujero negro supermasivo desgarra y se traga una estrella. Pero sólo nos lo parece. Son fenómenos tan lejanos que nuestros instrumentos actuales todavía no pueden ver bien lo que ocurre antes y después, y mucho menos dentro. Es un poco como intentar deducir el diseño y funcionamiento de un rifle estudiando el sonido de unos disparos remotos.

En general, sabemos que los brotes de rayos gamma están ahí porque son tan energéticos que lo difícil sería no detectarlos. Sí, a mí también me da muchísima rabia no poder contarte cómo funcionan con todo detalle y certeza. ;-) Pero es que precisamente la ciencia, a diferencia del dogma, va de esto: cuando no sabemos algo, lo decimos y seguimos estudiando hasta descubrirlo. Pues, como dijo el matemático David Hilbert: "Debemos saber. Sabremos."

***

PD1. Según nuestra comprensión actual, la candidata más próxima a obsequiarnos con un brote de rayos gamma (suponiendo que su haz relativista apunte hacia la Tierra) es la gigantesca Eta Carinae, a apenas 7.500 años-luz de aquí, en nuestra propia galaxia. Con más de cien masas solares, esta variable luminosa azul explotará en forma de supernova o hipernova en algún momento del próximo millón de años; el instante exacto es impredecible con nuestro conocimiento presente. De hecho, ya nos envió un recadito en 1841 bajo la forma de una falsa supernova, dando lugar a la Nebulosa del Homúnculo. Hasta sería posible, aunque no se cree probable, que haya estallado ya y el premio gordo venga de camino. :-P Pero hasta donde sabemos, algo así sólo habría ocurrido una vez en toda la historia de la vida, y aunque pudo formar parte de los procesos que dispararon una extinción masiva, no lo hizo por sí solo.

PD2. En cuanto a "supernovas normales" (quiero decir, sin un brote de rayos gamma asociado), la candidata más próxima es IK Pegasi B, a 150 años-luz de aquí, pero es chiquitaja y no se darán las condiciones necesarias para que explote hasta dentro de muchos millones de años. Una más gorda podría ser Betelgeuse, a seiscientos y pico años-luz, pero tampoco es probable que nos vaya a hacer mucho mal. De hecho, parece ser que en torno al año 1.200 (sí, en plena Edad Media) nos arreó una desde la misma distancia y ni nos enteramos. En el hielo antártico hay indicios de otros tres impactos supernóvicos durante los siglos X-XI. Y en los árboles japoneses, señales de un posible brote de rayos gamma corto y próximo que habría ocurrido en torno al año 775, coincidiendo con un cierto "crucifijo rojo" que apareció en los cielos británicos según la Crónica Anglosajona. Aquí seguimos, como si tal cosa. ;-)

PD3. No, por desgracia, lo de la galaxia M31 Andrómeda del pasado 27 de mayo a las 21:24 UTC no fue un brote de rayos gamma. Una pena; imagínate todo lo que habríamos podido aprender de un GRB tan próximo. :-P Pero bueno, a cambio te dejo un bonito video de la NASA, con una simulación por superordenador de cómo dos estrellas de neutrones se desintegran entre sí para formar un agujero negro, lo que es una de las posibles fuentes de brotes de rayos gamma cortos: ;-)

Ver vídeo

Bibliografía:

• Colón, Knicole: "A study of long-period gamma-ray bursts". Departamento de Astronomía de la Universidad de Florida, mayo de 2008.

• Berger, E. (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics): "Short-Duration Gamma-Ray Bursts." arXiv:1311.2603v1 [astro-ph.HE], 11 de noviembre de 2013.

• Savaglio, Sandra (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching): "First Gamma-Ray Bursts". Workshop CosmoFirstObjects, LAM, Marsella, mayo de 2011.

• Vedrenne, G.; Atteia, J-L., "Gamma Ray Bursts: The brightest explosions in the universe." Springer-Praxis Publishing Ltd., Chichester (UK), 2009. ISBN: 978-3-540-39085-5.

• Wanjek, C. (NASA Goddard Space Flight Center): "Explosions in space may have initiated ancient extinction on Earth". NASA, 6 de abril de 2005.

• Kouveliotou, C.; Woosley, S. E.; Ralph A. M. J., ed.. "Gamma-ray bursts." Cambridge University Press (2012). ISBN: 978-0-521-66209-3.

Ah, y si te apetece un poco de hardcore del güeno sobre fuentes cósmicas de rayos gamma y otras cosillas por el estilo, pásate por esta parte del blog de la mula Francis. ;-)