¿Qué son los rayos Gamma?

En los últimos cuarenta años la visión que teníamos del universo ha venido sufriendo cambios sustanciales como consecuencia del uso de nuevas tecnologías observacionales, las cuales nos han permitido detectar fenómenos que antes nos eran desconocidos. Lo que nos parecía algo tranquilo, sólo sometido a cambios lentos o incluso inmutables, las nuevas técnicas nos ha sorprendido al mostrarnos una serie de eventos cósmicos nuevos y, en algunos casos, extremadamente violentos.

La mayoría de las explosiones Gamma se pueden dividir en dos tipos: Primero están aquellas que se producen en regiones de abundante y densa formación estelar y están asociadas a Supernovas -que lógicamente generaría una explosión sostenida de energía. La definición técnica de una duración de largo estallido de rayos gamma es la que tiene más de dos segundoa de duración, pero las que durán más de un minuto no son inusuales.

Estas grandes explosiones de rayos gamma se piensa que son generadas por colisiones fantásticas entre estrellas de Neutrones y Agujeros Negros, los objetos más densos y energéticos del Universo. Algunos han llegado a sugerir que son las radiaiciones surgidas de la creación de nuevos universos.

Muchos de esos cambios paradigmáticos que hemos tenido que asumir del universo tienen que ver con la participación de «extremas energías» que se han visto operando en él, al poderse observar hoy día, con instrumental de tecnología de punta, objetos astronómicos en otras longitudes de onda antes inaccesibles. Cuando se iniciaron las observaciones en ondas de radio ya ellas nos otorgaron la confirmación del fenómeno de cómo se generó el universo, o sea, de la Gran Explosión o Big Bang. Ahora, con los detectores con que se cuenta hoy de rayos X, gamma o gamma de altísima energía VHE, hemos podido detectar que hay una innumerable cantidad de objetos en nuestro entorno cósmico que sufren procesos extremadamente violentos, los cuales podrían producir fuertes estallidos de rayos gamma (g). Por ello, en esta sección, vamos intentar describir sucintamente qué son los rayos gamma, para luego introducirnos en por qué se podrían dar en esos objetos.

   Un agujero negro podría haber creado esta burbuja gigante de rayos Gamma en nuestra propia Vía Láctea.

Los rayos gamma son un tipo de radiación electromagnética cuya altísima energía que comporta sus fotones viaja y se esparce. Los materiales radiactivos (algunos naturales y otros hechos por el hombre en plantas nucleares) son fuentes de emisión de rayos gamma. Los grandes aceleradores de partículas que los científicos usan para estudiar la composición de la materia pueden, a veces, generar rayos gamma. Pero el mayor productor de rayos gamma con una multiplicidad de posibles maneras para generarlos es el universo. En cierto sentido, las radiaciones gamma son el humo que señala los fuegos cósmicos subyacentes. La mayoría de los rayos gamma caen en el extremo inferior de su gama y son emitidos como elementos de desintegración radiactiva o cuando los electrones interactúan con otra materia. Pero una fracción pertenece al extremo alto del espectro: cuanto más alta la energía, más raro el fotón. La mayor parte de estos fotones parecen ser el producto secundario de colisiones entre rayos cósmicos y otras partículas. Puesto que las diversas partículas cósmicas ceden rayos gamma de energías variables, los astrónomos pueden, examinando el espectro de los rayos gamma recibidos, inferir qué fenómeno los produjo. Por ejemplo, los electrones que chocan con los fotones de baja energía de la luz estelar o pasan a través de nubes de gas ceden fotones por debajo de los 50 MeV.

Parecía un sencillo astro de neutrones, pero puede generar explosiones de rayos gamma, capaces de dañar nuestros satélites. Un equipo científico internacional, con participación española, ha demostrado que incluso estrellas de neutrones con un campo magnético externo normal pueden generar explosiones de rayos gamma y sufrir grandes picos de luminosidad, actividad que hasta ahora sólo se había detectado en magnetares. Este hallazgo obliga a revisar los modelos teóricos tradicionales sobre el origen y evolución de los magnetares, que podrían ser mucho más frecuentes de lo que se pensaba hasta ahora, según los investigadores de este estudio, quienes han anticipado los resultados en Science

La radiación de alta energía de los rayos gamma nos proporciona importante y nuevos datos sobre las estrellas, los púlsares o los agujeros negros en los que tienen lugar los procesos energéticos que pueden emitirla. Los rayos gamma proceden de núcleos atómicos o de la aniquilación positrón-electrón y son, por ello, independientes del estado químico de la materia. Proporcionan otra serie más de “huellas dactilares” detalladas que pueden ayudarnos a identificar los complejos procesos físicos que rodean a esos objetos cósmicos compactos y exóticos.

Astrónomos del Laboratorio Nacional de Los Alamos se pusieron a recopilar informacion de 9 pulsares en el universo y descubrieron que estas raras estrellas remanentes de Supernovas que no se convirtieron en Agujeros negros, y crearon unos modelos en computadora para entender mejor estos fenómenos y el resultado que arrojo el modelo fue que la energía que emiten los pulsares puede estar viajando más rápido que la luz, aproximadamente 6 veces más rápido que la luz o 1.8 millones de kilómetros por segundo. (Otro experimento que envía a la Relatividad Especial de Einstein al Paro).

Como ya lo mencionamos muchas veces, la primera detección de una explosión de rayos gamma ocurrió en el año 1967, pero ese suceso no fue dado a conocer públicamente hasta el año 1973. El atraso para la entrega al público de esa información se debió a razones políticas. La detección fue registrada por satélites espías que rastreaban el cumplimiento del Tratado de Prohibición de Pruebas Nucleares por parte de los países signatarios. Pero los estudios que se realizaron de los registros de las explosiones detectadas de rayos gamma señalaron que ellas provenían de lugares fuera de la vecindad de la Tierra, de algún lugar lejano del espacio exterior. Hasta 1972, los satélites espías registraron 16 explosiones, todas ellas confirmadas con evidencias duras, pero sin explicaciones razonables para que ellas ocurrieran. Ahora, treinta y dos años después, y habiéndose registrado miles de explosiones, lo científicos todavía no han logrado encontrar una explicación satisfactoria para los extraños sucesos celestiales que llamamos explosiones de rayos gamma.

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, ha detectado explosiones de rayos gamma en el sistema binario Cygnus X-3, el cual los astrónomos dicen que vienen de un microquásar. Si bien los microquásares tienen fuertes emisiones en todo el rango de longitud de onda, esta es la primera vez que este tipo de objetos ha sido detectado en el espectro de rayos gamma.

Izquierda: Las zonas más brillantes representan fuertes emisiones de rayos gamma. El Telescopio de Gran Área (LAT) de Fermi se encontraba centrado en Cygnus X-3. Crédito: NASA/DOE/Colaboración de LAT de Fermi.

“Cygnus X-3 es un microquásar genuino y es el primero para el cual podemos probar la emisión de rayos gamma de gran energía,” dijo Stéphane Corbel en la Universidad Diderot en París, Francia.

Los microquásares son objetos de masa estelar que presentan, en miniatura, algunas de las propiedades de los quásares: una estrella normal comienza a depositar su materia sobre una estrella de neutrones o agujero negro. Este fenómeno produce grandes cantidades de radiación y chorros de material moviéndose a velocidades relativistas superiores al 10% de la velocidad de la luz. Estos “chorros relativistas” son un gran misterio que los astrónomos aún están tratando de comprender, pero este nueveo microquásar de rayos gamma podría proveer nuevos caminos para estudiarlo.

En el centro de Cygnus X-3 se encuentra una estrella masiva de Wolf-Rayet -se llama así a las estrelas con una masa superior a 20-30 masas solares. Con una superficie de 100.255,372 grados Kelvin (99.982,222ºC) o cerca de 17 veces más caliente que el Sol. La estrella es tan caliente que su masa es expelida hacia el espacio en forma de un poderoso viento solar.

Arriba: Un disco de acreción alrededor de un agujero negro o una estrella de neutrones orbita alrededor de la estrella masiva. Los rayos gamma (púrpura en la ilustración) probablemente surgen cuando los electrónes moviendose a gran velocidad por encima o debajo del disco colisionan con la luz ultravioleta de la estrella. Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA.

Al menos dos cuestiones clave en la astronomía de los rayos gamma permanecen aún sin responder. Una de ellas es el origen de los enigmáticos estallidos de radiación. Muchos físicos y astrónomos consideran que esas explosiones de rayos gamma, que casi día a día detectamos en lo alto de nuestro cielo, proceden desde nuestra propia galaxia, probablemente desde una extensa aureola que se extiende más allá de la parte visible de la Vía Láctea. Otros argumentan que las explosiones se generan en las profundidades del cosmos, en galaxias distantes esparcidas a lo largo del universo. El problema para determinar el origen de las explosiones en el cielo de rayos cósmicos está en las dificultades para que se reitere un mismo lugar de observación de fenómenos explosivos de radiaciones gamma, ya que las explosiones que son observadas en un lugar, normalmente, no se vuelven a detectar en la misma parte y ello sólo permite estimar la posible fuente de la explosión. Cuando los astrónomos rastrean el área donde se detectó la explosión de rayos gamma, posiblemente encuentran varios potenciales candidatos, pero ninguno entrega indicios duros de que pueda ser el actor real. Muchos científicos piensan que la imposibilidad de ubicar la fuente de las explosiones de rayos gamma radica en el hecho de que ellas probablemente fueron destruidas en los instantes de la primera explosión. Otra idea que circula entre físicos teóricos, astrónomos y astrofísicos es de que el origen de las explosiones de rayos gamma sería la fusión de dos estrellas de neutrones, lo que implicaría que no existirían razones para que se produjeran segundos sucesos semejantes; también se podría dar el caso que un agujero negro atrajera abruptamente a una estrella de neutrones, lo que solamente debiera generar una sola y titánica explosión. No cabe duda que el descubrimiento de explosiones múltiples de rayos gamma ha agregado combustible al calor de las discusiones con respecto a cuál sería el origen.

Una inusual explosión de rayos gamma en una estrella situada a nueve mil años luz de la tierra ha sido captada por un grupo de científicos del CSIC. Se trata de la primera vez que se detecta en una explosión de estas características, la emisión de rayos gamma, una forma de radicación electromagnética con una energía extremadamente elevada. La explosión duró 15 días y se captó en la estrella V407 Cyg, situada en la constelación Cygnus.

El segundo tema apremiante es el significado de los destellos de ráfagas gamma de fondo. Puesto que esta difusa radiación gamma fluye desde todas direcciones, los astrónomos suponen que se halla asociada con los rayos cósmicos que también bombardean la Tierra desde todas partes del cielo. Para algunos científicos, pues, la investigación de las radiaciones gamma representa el principal medio de rastrear lo que se ha llamado el Santo Grial de la astrofísica: el origen de los rayos cósmicos.

El inconmensurable encuentro de dos estrellas de nuetrones tiene que producir…

Hasta ahora, la mejor explicación que se tiene sobre el origen de los rayos cósmicos es que el mismo proceso cataclísmico o altamente energético que produce los rayos gamma produce también los rayos cósmicos. Las supernovas son fuentes probables, como lo son los púlsares y las estrellas binarias de rayos X. Según el escenario de las supernovas, las ondas de choque de una estrella que hace explosión pueden chocar contra las partículas cargadas que flotan en el espacio como parte de la materia interestelar normal. Las ondas bombean energía a las partículas y las envían a través del espacio. Los púlsares pueden arrojar partículas lejos de ellos gracias a sus campos magnéticos que giran con rapidez, y las binarias de rayos X pueden lanzar partículas como parte del proceso de acreción. Una excitante evidencia que apoya esta última hipótesis nos ha llegado a través de los detectores Cherenkov, que han registrado radiaciones gamma secundarias aparentemente relacionadas con las partículas cósmicas procedentes de los sistemas binarios Cygnus X-3 y Hércules X-l, entre otros. En resumen, se puede escribir que la caza del grial cósmico recién todavía se encuentra en sus primeras etapas.

A lo menos una vez al día, el cielo en su parte alta, es iluminado por un gran destello producido por grandes explosiones de rayos gamma. A menudo, esos destellos alcanzan magnitudes superiores a las que pueden ser generadas por todo un conjunto de otros rayos cósmicos y desaparecen posteriormente sin dejar más rastro. Nadie puede predecir cuando volverá a ocurrir la próxima explosión o de que dirección del cielo procederá. Hasta ahora, no contamos con evidencias duras como para asegurar cuáles podrían ser las fuentes precisas de donde provienen esos rayos gamma que observamos en lo alto del cielo, las razones que ocasionan los grandes destellos y la distancia en la cual ocurre el fenómeno.

Aparentemente, la naturaleza de la mayoría de las grandes explosiones de rayos gamma ocurre dentro de la población normal de las galaxias que se encuentran cohabitando en el universo, lo que implicaría que el porcentaje mayoritario de explosiones detectadas se habrían generado fuera de la Vía Láctea y que solamente una vez en un millón se producirían dentro de la galaxia.

En todas las regiones del espacio interestelar donde existen objetos de enormes densidades y estrellas supermasivas se pueden producir, en cualquier momento, sucesos de energías increíbles que, son captados por nuestros ingenios detectando magnitudes de rayos gamma nunca antes registrados.

La magnitud de la energía que se libera en las explosiones de rayos gamma es monumental, puede permanecer desde una fracción a unos cientos de segundos, y equivale a toda le energía que ha liberado el Sol durante los 10.000 millones de años de su existencia. A esa conclusión llegaron un grupo de astrónomos del STSCI, de Baltimore, liderados por Kailash Sahu. Para ello, estudiaron las imágenes que captó el Telescopio Espacial Hubble; primero, las que correspondían a una explosión que se registró el 28 de febrero de 1997 y, segundo, las que fueron tomadas posteriormente el 26 de marzo y 7 de abril del mismo año, sobre el mismo suceso. La primera imagen destaca a una increíble explosión. La segunda toma de imágenes muestran a un extraño objeto semejante a una galaxia como factible generador de la explosión y que ésta se habría realizado bastante lejos del centro de la posible galaxia, lo que estaría descartando a los masivos agujeros negros moradores de la mayoría de los núcleos galácticos, como causantes de esas brutales explosiones.

Hemos sido capaces de inventar ingenios y estructuras capaces de producir anti-átomos, anti-protones y anti-neutrones (también antí-electrones), es decir, anti-materia, ¿cómo no vamos a ser capaces de llegasr al fondo del misterio para saber, a ciencia cierta, sobre las misteriosas explosiones de rayos gamma.

Pero la seguidilla de captaciones de explosiones de rayos gamma e incrementos de incógnitas han continuado. Una monstruosa explosión captada el 8 de mayo de 1997, por las cámaras de un nuevo espectrógrafo empotrado en el HST, y un seguimiento del suceso hasta el 2 de junio del mismo año, ha demostrado que las explosiones de rayos gamma siguen sin tener autores. Las imágenes muestran la terrible explosión, pero ningún objeto causante de ella, ni siquiera una galaxia se ha podido encontrar cerca del suceso. Esto viene a aumentar la perplejidad sobre la fuente de estas explosiones enigmáticas, ya que tal como señalamos anteriormente, el Hubble captó otra explosión de rayos gamma donde se podía identificar a una posible galaxia como fuente de los “cataclismos cósmicos de radiación gamma”, por lo menos, así lo sugieren los estudios que se han realizado sobre el espectro Keck captado.

Muchas son las regiones del Cosmos en las que han sido detectadas explosiones Gamma. Se puede deducir de ello que, tales inmensas energías son el pan de cada día en un Universo de cuya diversidad de componentes y de suscesos, no tenemos aún una idea lo bastante clara.

Señalé en este trabajo que el más grande generador de rayos gamma es el universo con una multiplicidad de medios para hacerlo. En consecuencia, la búsqueda de objetos estelares productores de ellos va a ser una tarea titánica. Pienso que esas brutales explosiones de rayos gamma que hemos relatado, posiblemente obedecen a tremendos choques entre estrellas de neutrones o a la abrupta engullición de una de esas estrellas por parte de un agujero negro.

        Descubren un agujero negro que ‘devora’ a una estrella

Estos sistemas binarios de rayos X, de los que se conocen sólo 17 en nuestra galaxia, aunque se cree que hay unos 5.000, están compuestos por un objeto compacto (que puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro) y una estrella ‘normal’.

Este objeto compacto va arrancando materia de la estrella y la incorpora lentamente a su propia masa a través de un disco que se forma en torno a él. En definitiva, se la va ‘tragando’. En este caso, los astrónomos comprobaron que el objeto compacto era un agujero negro en el que la masa absorbida va cayendo.

En los últimos tiempos, las nuevas tecnologías que se están usando en la exploración del espacio nos han permitido detectar explosiones de rayos gamma que anteriormente no las habíamos observado. Cuatro grandes explosiones sucesivas, en grupo de dos, de rayos gamma se han podido distinguir en el espacio con duraciones de hasta 23 minutos y captadas en un mismo punto del cielo; mientras que lo habitual era detectar explosiones diarias de unos 10 a 30 segundos de duración, y cuya orientación indicaban una procedencia desde el cosmos disímil para cada una de ellas. Esto es obvio que tiene que parecer inusitado, ya que de observaciones de explosiones de rayos gamma de cortísima duración y de captaciones distribuidas arbitrariamente, ahora se han podido distinguir explosiones de una mayor duración y proviniendo, aparentemente, desde una misma parte del espacio.

La imagen de arriba corresponde a una toma realizada por el Telescopio Espacial Hubble, y representa a uno de los muchísimos fenómenos misteriosos que permanentemente, no sólo emplazan a los científicos, sino a toda la humanidad. La imagen en sí, es el testimonio de una feroz explosión de rayos gamma captada por las cámaras del telescopio en febrero de 1997, y cuyas huellas han podido seguir siendo rastreadas por un tiempo más prolongado (más de seis meses) que en otras ocasiones en las cuales se han logrado detectar fenómenos semejantes.

Aunque la visibilidad del fenómeno ha disminuido en intensidad a un rango de 1/500th ( magnitud 27.7) desde que la explosión fue descubierta, el Hubble ha podido seguir observando algunos detalles de la bola de fuego apreciada y, a su vez, distinguir a una galaxia circundante que podría ser la anfitriona del acontecimiento y que comporta una magnitud de 25th.

La permanencia de la visibilidad del acontecimiento, los valores detectados en la declinación de ella, y la velocidad cercana a la de la luz que se ha podido registrar para la expansión de la bola de fuego que generó la explosión, estarían avalando la teoría que considera que una gran parte de los rayos gamma que se producen en el universo corresponden a la consecuencia de monumentales colisiones de objetos muy densos, posiblemente estrellas de neutrones.

Swift es un observatorio espacial dedicado al estudio de las explosiones de rayos gamma o GRB (del inglés Gamma-Ray Burst). Posee tres instrumentos que trabajan juntos permitiéndole estudiar el fenómeno en rayos gamma, rayos x, ultravioleta y visible.

Si la explosión hubiese sucedido en una localidad cercana de la Vía Láctea, la bola de fuego solamente habría tenido energía para ser propulsada en el espacio durante un mes. El hecho de que la bola de fuego todavía se hace visible después de haber transcurrido más de seis meses desde la detección de la explosión, ésta debe haber sido monstruosa y sucedida en alguna galaxia muy distante de la nuestra. La energía que libera este tipo de explosiones, que pueden durar desde una fracción de segundo a un poco más de un minuto, es equivalente a la que generaría el Sol en 10.000 millones de años.

Ahora bien, el hecho de que se hayan podido captar explosiones de rayos gamma de mayor duración y en un mismo lugar de lo alto cielo, no le entrega a los astrónomos antecedentes suficientes como para poder asegurar si la fuente de ellas es un sólo objeto en el espacio o varios, pero lo que no cabe duda es de que esos fenómenos no son una casualidad, y que su origen debe provenir de lugares relacionados en el cosmos.

Hemos reiterado que el problema principal que se presenta en el estudio de las explosiones de rayos gamma es ubicar y distinguir que es lo que la originan , y en ello compiten las dificultades que se tienen para detectar una reiteración de explosiones en un mismo lugar del cielo. Pero siempre se puede dar una vez. El 28 de febrero de 1997, el satélite ítalo-holandés Beppo-Sax, lanzado al espacio en 1996, detectó una explosión de rayos gamma en la constelación de Orión. Afortunadamente, a parte de comportar un espectrómetro, el satélite también contiene varias cámaras fotográficas de alta resolución que le permitieron captar una emisión de rayos X en el mismo lugar donde se había detectado la explosión de rayos gamma, ocho horas antes.

          También en nuestra Región, en la Nebulosa de Orión, se han detectado fenómenos de rayos gamma.

Lo cierto amigos es que, nos queda ¿tánto por saber!

Aunque confinados en la Tierra, el hombre, nunca dejará de intentar saber sobre lo que el Universo esconde. Muchos son los secretos que aún nos quedan por desvelar. El fenómeno de los rayos Gamma es solo uno más de los muchos que ahí están, esperándo que los podamos descubrir para conocer, los mecanismos de los que se vale el universo para conseguir sus fines.

¿Podremos lograrlo?

emilio silvera

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