La explosión de rayos gamma “más brillante de todos los tiempos”

El 9 de octubre de 2022 el satélite Swift de la NASA detectó una explosión de rayos gamma de alta intensidad procedente de una galaxia situada a 1.900 millones de años luz de la Tierra. La potencia de GRB 221009A, apodado con la sigla en inglés “BOAT” (en español, la “más brillante de todos los tiempos”), fue tan extraordinaria que provocó ondas de choque en la ionósfera de la Tierra, la capa exterior de la atmósfera de nuestro planeta.

Durante unos segundos al día, la Tierra es bombardeada por la radiación cósmica producida por estallidos de rayos gamma? Pero el campo magnético de nuestro planeta actúa como un escudo y desvía la mayor parte de la radiación alrededor del planeta.

“Si hubiese ocurrido mucho más cerca, esto habría sido muy grave”, afirma Brendan O'Connor, astrónomo de la Universidad George Washington.

Un GRB “largo” (una explosión de rayos gamma que puede durar varios minutos) de este tipo suele ocurrir por la muerte de una estrella masiva, de entre 8 y 30 veces la masa de nuestro Sol. Al quedarse sin combustible en su núcleo, la estrella se contrae y luego colapsa para formar una estrella de neutrones o un agujero negro. En el proceso, las capas exteriores de la estrella caen a su alrededor, formando un disco de gas arremolinado que los potentes campos magnéticos barren y expulsan en dos feroces jets o chorros que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. Las partículas cargadas que giran alrededor de los campos magnéticos en estos chorros liberan rayos gamma.

“Sabíamos que probablemente no volveríamos a tener esta oportunidad”.

Si bien la mayoría de los GRB de este tipo ocurren mucho más lejos, nuestra relativa proximidad a GRB 221009A brindó a los astrónomos una visión de su motor central sin precedentes. De hecho, la combinación de su brillo intenso y cercanía es tan única que los astrónomos no esperan ver otro GRB como éste hasta dentro de unos 1.000 años.

“Sabíamos que probablemente no volveríamos a tener esta oportunidad”, afirma Gokul Srinivasaragavan, estudiante de doctorado en la Universidad de Maryland.

Ubicación de GRB 221009A, captada por Gemini Sur el 14 de octubre de 2022.

Credit: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/B. O'Connor (UMD/GWU) & J. Rastinejad & W. Fong (Universidad Northwestern).

Gracias al Telescopio Gemini Sur, la mitad austral del Observatorio Internacional Gemini –que opera NOIRLab de NSF–, O'Connor y Srinivasaragavan, los autores de dos artículos sobre este descubrimiento, observaron la explosión asociada a GRB 221009A. Uno de los artículos examina el “ángulo de apertura” del chorro del GRB, que entrega información sobre el proceso que emite los rayos gamma, mientras que el segundo artículo describe la búsqueda del equivalente óptico del GRB: una supernova.

Por lo general, los chorros de rayos gamma de un GRB son bastante estrechos, lo que significa que pocos apuntan hacia nosotros. Esto limita el número de GRB que podemos descubrir, porque si no apuntan casi directamente a la Tierra, no podemos detectarlos.

Este estrecho ángulo de apertura se debe a campos magnéticos bastante compactos que comprimen el ángulo del chorro de partículas, pero GRB 221009A fue diferente. Mediante el Espectrógrafo Multi Objetos de Gemini Sur (GMOS por sus siglas en inglés), el equipo de O'Connor logró determinar que el chorro de GRB 221009A presentaba una forma que no se había observado en otros chorros de explosiones de rayos gamma.

Una vista cercana del interior del Espectrógrafo Multi Objetos de Gemini (GMOS por sus siglas en inglés) en el Telescopio Gemini Sur en Chile. El rectángulo con un arco iris es una de las rejillas del instrumento y detrás se puede ver la rueda de filtros.

Credit: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Paredes

El chorro presentaba un núcleo estrecho rodeado de “alas” [laterales] anchas e inclinadas. Estas características no son comunes de observar, lo que resulta desconcertante, porque si estos chorros en forma de ala se produjeran a menudo, los astrónomos esperarían haber detectado otros más. En cambio, estas alas anchas deben ser muy raras, tanto como el potente brillo que posee GRB 221009A.

“Tiene que haber algo en estos chorros anchos que sea exclusivo de los GRB ultrapotentes. Esta forma particular de chorro puede ser la firma distintiva de las explosiones más violentas, y explicaría por qué seguimos viendo su brillo óptico e infrarrojo meses después de la explosión”, explicó O'Connor.

Y en cuanto al brillo óptico, Srinivasaragavan lideró la búsqueda de la supernova acompañante: la luz visible de la explosión estelar. Utilizando los telescopios de Gemini Sur, el Telescopio GROWTH-India, el Lowell Discovery Telescope en Arizona y el Telescopio Liverpool en Tenerife, España, el grupo de Srinivasaragavan pudo encontrar evidencia de la supernova, que ahora se conoce como SN 2022xiw.

Pero la supernova SN 2022xiw resultó ser sorprendentemente decepcionante y no muy distinta de otras supernovas.

“Descubrimos que la supernova de núcleo colapsante asociada a GRB 221009A no es más energética ni más brillante que otras asociadas a explosiones de rayos gamma de larga duración estudiadas en el pasado”, afirma Srinivasaragavan. “Esto va en contra de nuestras ingenuas expectativas de que un estallido largo de rayos gamma más potente generaría una supernova de núcleo colapsante más poderosa”.

A partir del brillo de la supernova, Srinivasaragavan y O'Connor calcularon que la explosión estelar expulsó entre 3,5 y 11,1 masas solares de material. Esto equivale a 11 soles –como el nuestro– de material expulsado en cuestión de segundos, y a más energía liberada en ese tiempo que la que producirá el Sol en toda su vida.

“Fue uno de los acontecimientos más emocionantes de los últimos tiempos para la comunidad astrofísica en general”.

El detalle con el que los astrónomos pudieron observar el GRB 221009A permitirá una mayor comprensión del mecanismo que produce un GRB largo cuando una estrella masiva termina su vida. También puede convertirse en una especie de “clave” para comprender futuros GRB ultraluminosos observados a mayores distancias.

Hasta entonces, la rareza de GRB 221009A perdurará por mucho tiempo en nuestra memoria, afirma Srinivasaragavan. “Fue uno de los acontecimientos más emocionantes de los últimos tiempos para la comunidad astrofísica en general”.