Explosiones gigantes enterradas en polvo

Por primera vez, observaciones llevadas a cabo con ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) han permitido establecer de forma directa cuáles son las proporciones de gas molecular y polvo que se encuentran en una galaxia que alberga estallidos de rayos gamma (GRB) — las explosiones más grandes que tienen lugar en el universo. Sorprendidos, los investigadores han comprobado que hay menos gas del esperado y, proporcionalmente, mucho más polvo, haciendo que algunos GRB aparezcan como “GRB oscuros”. Este trabajo aparece en la revista Nature el 12 de junio de 2014 y es el primer resultado científico de ALMA en torno a los GRB, mostrando el potencial del conjunto de antenas para ayudarnos a comprender mejor cómo se comportan estos objetos.

Los estallidos de rayos gamma (GRBs por sus siglas en inglés, Gamma-Ray Bursts) son intensas explosiones de altísima energía observadas en galaxias distantes — el fenómeno explosivo más brillante del universo. Los que duran más de un par de segundos son conocidos como estallidos de rayos gamma de larga duración (LGRBs, de long-duration gamma-ray bursts) [1] y se asocian con las explosiones de supernova — potentes detonaciones que tienen lugar al final de la vida de las estrellas masivas.

En cuestión de segundos, un estallido típico libera tanta energía como la que habrá liberado el Sol a lo largo de sus diez mil millones de años de vida. La propia explosión suele estar seguida de una emisión que va apagándose poco a poco, conocida como reminiscencia (afterglow), que se cree tiene su origen en las colisiones entre el material expulsado y el gas circundante.


Sin embargo, misteriosamente, algunos estallidos de rayos gamma parecen no tener ninguna reminiscencia — son denominados estallidos oscuros. Una posible explicación es que las nubes de polvo absorben la radiación de la reminiscencia.

En los últimos años, los científicos han estado trabajando para comprender mejor cómo se forma un GRB estudiando sus galaxias anfitrionas. Dentro de estas galaxias, los astrónomos esperaban encontrar estrellas masivas progenitoras de los GRB en regiones activas de formación estelar, que podrían estar rodeadas por una gran cantidad de gas molecular — el combustible para la formación de estrellas. Sin embargo, no había ningún resultado observacional para respaldar esta teoría, dejando la incógnita sin respuesta durante mucho tiempo.

Por primera vez, un equipo de astrónomos de Japón ha utilizado ALMA para detectar la emisión de radio procedente del gas molecular en dos anfitrionas de LGRB — GRB 020819B y GRB 051022 — a unos 4.300 6.900 millones de años luz respectivamente. Aunque tales emisiones de radio nunca habían sido detectadas en las galaxias GRB, ALMA lo ha hecho posible gracias a su alta sensibilidad sin precedentes [2].

Kotaro Kohno, profesor de la Universidad de Tokio y miembro del equipo de investigación, dijo: "hemos estado buscando gas molecular en galaxias GRB durante más de diez años utilizando varios telescopios alrededor del mundo. Como resultado de nuestro arduo trabajo, finalmente logramos un avance notable utilizando el poder de ALMA. Estamos muy entusiasmados con lo que hemos logrado".

Otro logro notable, hecho posible gracias a la alta resolución de ALMA, fue descubrir la distribución del gas molecular y el polvo en galaxias GRB. Observaciones de GRB 020819B revelaron un entorno extraordinariamente rico en polvo [3], mientras que, cerca del centro de la galaxia anfitriona, se encontraba gas molecular. Es la primera vez que se ha revelado dicha distribución en galaxias GRB.

"No esperábamos que los GRB pudieran tener lugar en un ambiente tan polvoriento, con una proporción tan baja de gas molecular con respecto al polvo. Esto indica que el GRB se produjo en un ambiente muy diferente al de una típica región de formación estelar", afirma Hatsukade. Esto sugiere que las estrellas masivas que murieron como GRB cambiaron el ambiente en la región de formación estelar antes de explotar.

El equipo de investigación cree que, una posible explicación para la alta proporción de polvo en comparación con el gas molecular en el lugar donde tienen lugar los GRB, es la diferencia en sus reacciones a la radiación ultravioleta. Puesto que los enlaces entre los átomos que componen las moléculas se rompen fácilmente por la radiación ultravioleta, el gas molecular no puede sobrevivir en ambientes expuestos a una fuerte radiación ultravioleta producida por las calientes estrellas masivas en su región de formación estelar, incluyendo la que tarde o temprano explota como el observado GRB. Aunque también se observa una distribución similar en GRB 051022, esto aún debe ser confirmado debido a la falta de resolución (dado que el anfitrión del GRB 051022 está situado más lejos que el que alberga al GRB 020819B). En cualquier caso, estas observaciones de ALMA apoyan la hipótesis de que el polvo que absorbe la radiación de la reminiscencia es el responsable de generar explosiones oscuras de rayos gamma.

"Los resultados obtenidos esta vez fueron más allá de nuestras expectativas. Necesitamos llevar a cabo otras observaciones en otras galaxias GRB para ver si podría tratarse de condiciones ambientales generales a cualquier sitio que albergue un GRB. Esperamos futuras investigaciones con la ampliación de las capacidades de ALMA", concluye Hatsukade.

Notas
[1] Los estallidos de rayos gamma de larga duración (LGRBs), que duran algo más de dos segundos, representan aproximadamente el 70% de los GRB observados. Los desarrollos llevados a cabo en la última década han reconocido una nueva clase de GRB con estallidos de menos de dos segundos, los GRB de corta duración, probablemente debido a la fusión de estrellas de neutrones y no asociados con supernovas o hipernovas.

[2] La sensibilidad de ALMA en esta observación era cinco veces mejor que la llevada a cabo con otros telescopios similares. Las primeras observaciones científicas con ALMA comenzaron con sólo parte de las antenas en 2011 (eso1137). Estas observaciones se realizaron con un conjunto de 24–27 antenas con separaciones de hasta sólo 125 metros. La instalación de la última de las 66 antenas (eso1342) es una promesa de lo que ALMA será capaz de revelar en un futuro próximo, ya que las antenas de pueden posicionarse en diferentes configuraciones, con distancias máximas entre las antenas que van de los 150 metros a los 16 kilómetros.

[3] La proporción de la masa de polvo con respecto a la masa de gas molecular masa es de un 1% en el medio interestelar en la Vía Láctea y en galaxias cercanas de formación estelar, pero es diez o más veces mayor en la región que rodea al GRB 020819B. http://www.eso.org/public/