Estudiando explosiones gigantes en medio del polvo

Ilustración artística del entorno que rodea al GRB 020819B. Crédito: NAOJ.

Por primera vez y gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), investigadores japoneses 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 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 (Gamma-Ray Bursts, GRBs) 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 (“long-duration gamma-ray bursts”, LGRBs) 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 luminiscencia residual, 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 luminiscencia residual y son denominados estallidos oscuros. Una posible explicación es que las nubes de polvo absorben la radiación de la luminiscencia residual. 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.

Un equipo nipón, encabezado por Bunyo Hatsukade, profesor asistente del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en Chile, observó a GRB 020819B y GRB 020819B, dos galaxias que presentan estallidos de rayos gamma situadas a 4.300 millones y 6.900 millones de años-luz, respectivamente. Nunca se habían detectado emisiones de radio en este tipo de galaxias antes, y esta hazaña solo fue posible aprovechando la sensibilidad única de ALMA.

Kotaro Khono, profesor de la Universidad de Tokio y miembro del equipo de investigación, afirma: “Llevábamos más de diez años buscando gas molecular en galaxias con estallidos de rayos gamma, usando varios telescopios alrededor del mundo. Gracias a un arduo trabajo, por fin hicimos un gran hallazgo valiéndonos de la sensibilidad inigualable de ALMA. Estamos muy contentos con nuestros logros”. La sensibilidad proporcionada por ALMA para esta observación fue cerca de cinco veces superior a la de cualquier otro telescopio usado en investigaciones anteriores, pese a que la observación durara tan solo 47 minutos y se usaran apenas 27 antenas (menos de la mitad del número total disponible actualmente). Los resultados de estas observaciones pusieron en evidencia la capacidad revolucionaria de ALMA incluso en condiciones limitadas.

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, 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 nos esperábamos ver estallidos de rayos gama en un entorno tan polvoriento y con una baja proporción de gas molecular. Esto indica que los estallidos ocurrieron en un ambiente poco habitual”, explica 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 la elevada proporción de polvo comparada con el de gas molecular en las zonas donde se producen estallidos de rayos gamma se deba a sus diferentes 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 luminiscencia residual es el responsable de generar explosiones oscuras de rayos gamma.

“Los resultados obtenidos esta vez superaron nuestras expectativas. Tenemos que realizar más observaciones con otras galaxias donde haya estallidos de rayos gamma para saber si estas son las condiciones normales de este tipo de galaxia. Esperamos poder investigar más cuando ALMA haya alcanzado todo su potencia”, concluye Hatsukade.

El estudio, titulado “Two γ-ray bursts from dusty regions with little molecular gas”, fue publicado en la revista Nature el 12 de junio 2014.

Fuente: ALMA