Las supernovas son algunos de los eventos más energéticos del universo. Un subconjunto de estos incluye estallidos de rayos gamma, donde gran parte de la energía emitida proviene de fotones de energía extremadamente alta. Creemos saber por qué sucede esto generalmente: el agujero negro que queda 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 resueltos.
Desafortunadamente, estos eventos suceden demasiado rápido y demasiado lejos, por lo que no es fácil obtener notas detalladas sobre ellos. Sin embargo, un reciente estallido de rayos gamma denominado BOAT (Brightest Ever Recorded) puede proporcionarnos nueva información sobre eventos a los pocos días de la explosión de la 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 del evento.
Necesito tomar una ducha
El mencionado “telescopio” es Gran observatorio de lluvia de aire a gran altura (LHAASO). Ubicado a tres millas (4400 metros) sobre el nivel del mar, el observatorio es un conjunto de instrumentos que no es un telescopio en el sentido tradicional. En cambio, se supone que debe capturar lluvias de aire, una intrincada cadena de escombros y fotones que se producen cuando las partículas de alta energía del espacio exterior chocan con la atmósfera.
Si bien son limitados en comparación con los telescopios convencionales, los detectores de lluvia de aire tienen algunas ventajas con respecto a eventos como BOAT. Tienen un campo de visión muy amplio porque realmente no necesitan enfocarse en un evento sino reconstruirlo basándose en los fotones y partículas que llegan a la superficie de la Tierra. 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 operar las 24 horas.
Debido a que LHAASO estaba tomando datos cuando estalló la supernova BOAT, sus detectores no solo detectaron el inicio del evento, sino que también pudieron rastrear su evolución durante varios días después. Si bien la resolución espacial era pobre, había una gran cantidad de datos, todos separados por longitud de onda. Los primeros 100 minutos vieron la detección de más de 64.000 fotones a energías superiores a 200 GeV. Por contexto, convertir toda la masa de un protón en energía produce poco menos de un GeV.
Una de las primeras cosas que fue evidente fue 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 del TeV cambiaron suavemente con el tiempo, mientras que los del rango de megaelectronvoltios fluctuaron hacia arriba y hacia abajo.
Entender los datos
Los investigadores sugieren que estos datos son consistentes con la propuesta de que los eventos de baja energía son causados por los chorros que interactúan con los escombros turbulentos de la supernova. Debido a que estos desechos serían complejos y estarían cerca de la fuente de los chorros, limitaría la cantidad de partículas espaciales en los chorros que tendrían que acelerar, poniendo así un límite a su energía.
Por el contrario, los fotones de mayor energía se producen en regiones donde los chorros han eliminado los restos de la supernova y han comenzado a interactuar con la materia que constituía el entorno de la estrella, partículas probablemente bombardeadas por el equivalente estelar del viento solar. Es un entorno más escaso y uniforme, lo que permite a los chorros un camino menos turbulento para acelerar las partículas a las energías extremas necesarias para producir fotones de energías superiores a TeV.
Si bien pasar por los escombros de la supernova parece difícil, el proceso ocurre muy rápido porque los chorros aceleran las partículas a casi la velocidad de la luz. Por lo tanto, solo se necesitan unos cinco segundos para ver el rápido aumento de los fotones TeV en los datos.
A partir de ahí, es un descenso más suave que dura unos 13 segundos. El equipo de investigación detrás del trabajo sugiere que esto implica que los chorros interactúen y aceleren partículas en el entorno más allá del remanente de la estrella. Esto aumenta la cantidad de fotones de alta energía, pero al mismo tiempo drena parte de la energía de los chorros cuando son empujados contra una pila más grande de material a medida que avanzan por el entorno.
Eventualmente, esta acumulación de material atrae suficiente energía para que la cantidad de fotones de alta energía comience a disminuir gradualmente. Esta caída es lo suficientemente lenta como para durar unos 11 minutos más o menos.
En el caso de la supernova BOAT, esto fue seguido por una fuerte caída en los fotones de alta energía. Se cree que esto se debe a que los chorros se ensanchan a medida que se alejan de su fuente, lo que significa que el barco era tan brillante como lo observamos porque el núcleo central de su chorro apuntaba directamente al suelo. El momento de este descenso también proporciona información sobre la anchura de la aeronave en este momento.
Todavía hay mucho que aprender sobre estos eventos; todavía no estamos seguros de cómo los agujeros negros liberan chorros de material en primer lugar, por ejemplo. Pero este tipo de observaciones detalladas pueden darnos una mejor idea del momento y la dinámica de la formación de chorros, lo que en última instancia ayudará a proporcionar modelos de lo que sucede durante la formación de agujeros negros y de chorros.
Ciencia, 2023. DOI: 10.1126/ciencia.adg9328 (sobre los DOI).
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