Las supernovas son algunos de los eventos más energéticos del Universo. Y un subconjunto de ellos involucra estallidos de rayos gamma, donde gran parte de la energía liberada proviene de fotones de energía extremadamente alta. Creemos saber por qué sucede eso en términos generales: el agujero negro que queda después de la explosión expulsa chorros de material a casi la velocidad de la luz. Pero los detalles de cómo y dónde estos chorros producen fotones no están del todo cerca de estar completamente resueltos.
Desafortunadamente, estos eventos ocurren muy rápido y muy lejos, por lo que no es fácil obtener observaciones detalladas de ellos. Sin embargo, un reciente estallido de rayos gamma que ha sido llamado el BARCO (el más brillante de todos los tiempos) puede estar brindándonos nueva información sobre los eventos a los pocos días de la explosión de una supernova. Un nuevo artículo describe los datos de un telescopio que apuntaba en la dirección correcta y era sensible a la radiación de energía extremadamente alta producida por el evento.
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El «telescopio» mencionado es el Gran Observatorio de Lluvias de Aire a Gran Altitud (LHAASO). Ubicado a casi tres millas (4400 metros) sobre el nivel del mar, el observatorio es un complejo de instrumentos que no son un telescopio en el sentido tradicional. En cambio, están destinados a capturar lluvias de aire, la compleja cascada de escombros y fotones que se producen cuando las partículas de alta energía del espacio exterior golpean la atmósfera.
Si bien son limitados en comparación con los telescopios tradicionales, los detectores de lluvia de aire tienen algunas ventajas con respecto a eventos como el BOAT. Tienen un campo de visión muy amplio ya que realmente no necesitan enfocarse en un evento tanto como necesitan reconstruirlo en base a los fotones y partículas que llegan a la superficie de la Tierra. Y solo son sensibles a eventos de alta energía, lo que significa que la luz del día tiene una energía demasiado baja para interferir, por lo que pueden funcionar las 24 horas.
Dado que LHAASO estaba tomando datos cuando estalló la supernova BOAT, sus detectores capturaron no solo el inicio del evento, sino que también pudieron rastrear su evolución durante los días posteriores. Si bien la resolución espacial era pésima, había una enorme cantidad de datos, todos separados por longitud de onda. Los primeros 100 minutos vieron más de 64.000 fotones detectados a energías superiores a 200 gigaelectronvoltios. Por contexto, convertir toda la masa de un protón en energía produciría un poco menos de un GeV.
Una de las primeras cosas que fue obvia es que había una gran diferencia entre los fotones a energías más bajas (¡pero aún muy altas!) y aquellos en los extremos más extremos del espectro electromagnético. Los datos de los fotones que estaban por encima de un teraelectronvoltio cambiaron suavemente con el tiempo, mientras que los del rango de megaelectronvoltios fluctuaron hacia arriba y hacia abajo.
Dar sentido a los datos
Esa información, sugieren los investigadores, es consistente con la sugerencia de que los eventos de menor energía son causados por los chorros que interactúan con los escombros turbulentos de la supernova. Dado que esos desechos serán complejos y estarán cerca de la fuente de los chorros, limitarán la cantidad de partículas espaciales en los chorros que tienen que acumular velocidad y, por lo tanto, pondrán un límite a su energía.
Los fotones de mayor energía, por el contrario, se producen en áreas donde los chorros han limpiado los escombros de supernova y están comenzando a interactuar con el material que formó el entorno alrededor de la estrella, probablemente partículas expulsadas por el equivalente estelar del viento solar. Es un entorno más escaso y consistente, lo que permite a los chorros un camino menos turbulento para acelerar partículas a las energías extremas necesarias para producir fotones con energías superiores a un TeV.
Si bien superar los escombros de una supernova parece difícil, el proceso ocurre extremadamente rápido ya que los chorros aceleran partículas a casi la velocidad de la luz. Por lo tanto, solo se necesitan unos 5 segundos para ver un rápido aumento de fotones TeV en los datos.
A partir de ahí, hay una pendiente más suave que dura unos 13 segundos. El equipo de investigación detrás del trabajo sugiere que esto implica que los chorros interactúen y aceleren las partículas en el entorno fuera de los restos de la estrella. Esto aumenta la cantidad de fotones de alta energía, pero al mismo tiempo consume parte de la energía de los chorros a medida que empujan contra una pila de material cada vez más grande a medida que se adentran más en el medio ambiente.
Eventualmente, esa acumulación de material extrae suficiente energía para que el conteo de fotones de alta energía comience a disminuir gradualmente. Esta caída es lo suficientemente lenta como para durar unos 11 minutos.
En el caso de la supernova BOAT, esto fue seguido por una fuerte caída de fotones de alta energía. Se cree que esto es el resultado de la ampliación de los chorros a medida que se alejan de su fuente e implica que el BARCO era tan brillante como lo observamos porque el núcleo central de su chorro apuntaba directamente a la Tierra. El momento de esta caída también proporciona información sobre qué tan ancho era el avión en este momento.
Todavía hay mucho que aprender sobre estos eventos: seguimos sin estar seguros de cómo los agujeros negros lanzan chorros de material en primer lugar, por ejemplo. Pero este tipo de observaciones detalladas pueden darnos una mejor idea de la sincronización y la dinámica de la formación de chorros, lo que en última instancia ayudará a informar a los modelos sobre lo que sucede durante la formación de agujeros negros y la producción de chorros.
Ciencia, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328 (Acerca de los DOI).