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19 May. 2014

Un breve (pero intenso) magnetismo

El GTC ayuda a detectar la fuente de una explosión de rayos gamma

Logo Ciencia con el GTCNatalia Ruiz Zelmanovitch

Las explosiones de rayos gamma son eventos altamente energéticos de muy corta duración que tienen lugar de manera impredecible en cualquier punto del cielo. La detección de uno de estos estallidos con luz polarizada pone en jaque algunos modelos de física a escala microscópica que intentan aunar Física Cuántica y Relatividad General

Cada año, los investigadores detectan unas cien explosiones de rayos gamma (GRB, siglas de Gamma-Ray Bursts). Pueden hacerlo gracias a satélites especialmente preparados para ello (como Swift y Fermi) y a observaciones complementarias desde tierra. Es un gran logro, teniendo en cuenta que su duración suele oscilar entre unos milisegundos y unos pocos segundos. Un breve espacio de tiempo en el que cobran todo el protagonismo, pues se trata del fenómeno más luminoso del universo y “ciega” nuestros instrumentos, de manera que el resto de fuentes a su alrededor quedan temporalmente ocultas.

En ocasiones, inmediatamente tras el estallido, se observa en luz visible un objeto asociado a la explosión (probablemente el origen de la misma), pero incluso estos objetos desaparecen al cabo de pocas horas o pocos días. Esto hace que, en muchas ocasiones, no se llegue a medir ninguna propiedad básica de la galaxia en la que ha tenido lugar el evento, por ejemplo, la distancia a la que se encuentra.

Afortunadamente, gracias a la información lograda en otros rangos de la luz, como el rango óptico y los rayos X (que pueden observarse durante horas y, en ocasiones, durante días), se ha podido comprobar que algunos de estos GRB tienen su origen en sucesos tremendamente energéticos que ocurren en otras galaxias, muy alejadas de la nuestra. Se cree que son la consecuencia de explosiones estelares de súper o hipernovas, o de la colisión de dos objetos muy densos, como agujeros negros o estrellas de neutrones.

Sin embargo, pese a los avances en el campo de las GRB, la naturaleza de su rápida emisión aún no está clara: no conocemos con precisión el contenido exacto de estos chorros (especialmente los efectos relacionados con su magnetización) ni los detalles del mecanismo que genera esta emisión de rayos gamma.

Estudiar con grandes telescopios la zona de la explosión puede permitirnos identificar la galaxia anfitriona del evento y aprender, a posteriori, algo sobre ella.

GRB061122: un estallido polarizado

GRB061122 fue observado el día 22 de noviembre de 2006. “Se convirtió en un objeto muy interesante cuando advertimos que la luz gamma observada tenía la propiedad de estar polarizada”, afirma Diego Götz, investigador principal en este trabajo. Y añade: “Este hecho por sí mismo ofrece información sobre el medio en que se produjo la explosión y sobre el proceso que dio lugar a la misma”.

Y es que la polarización, en cierto modo, es una "ordenación" particular de los fotones que, en general, se da solo en condiciones muy específicas. Las medidas obtenidas pueden arrojar nueva luz sobre la fuerza y la escala de los campos magnéticos, así como sobre los mecanismos de radiación que se ponen en marcha durante las primeras fases de emisión de una GRB. ¿Qué condiciones físicas se están dando en el lugar de la explosión para que la luz se polarice?

Pero eso no es todo. “Lo más importante para nosotros de este estudio –destaca Alberto Fernández Soto, investigador del Instituto de Física de Cantabria (IFCA) que ha participado en este trabajo- es que algunos modelos de física a escala microscópica (que intentan conjuntar Física Cuántica y Relatividad General) predicen que la polarización de un haz de luz debe ir degradándose y perdiéndose mientras viaja por el espacio por un efecto de birrefringencia1”.

Por tanto, la observación de un haz polarizado que ha viajado distancias cósmicas representa un límite muy fuerte para este tipo de teorías y genera algunas preguntas: ¿por qué no se ha degradado esa polarización en su camino hasta nosotros?

Observaciones con el Gran Telescopio CANARIAS (GTC)

Para poder medir ese límite era necesario, primero, conocer la distancia hasta GRB061122, algo que no se sabía porque no se pudo medir en su momento. “El equipo –señala Götz- pidió tiempo a GTC para obtener el espectro del objeto y así medir su distancia. También se pidió al telescopio CFHT en Hawaii y al telescopio TNG en La Palma para obtener imágenes aún más profundas que las disponibles hasta ese momento y ver con más detalle el entorno de la explosión”.

Con el espectro del GTC, el equipo logró comprobar que el estallido tuvo lugar en una galaxia roja a una distancia cósmica de z = 0,74 (en decir, ocurrió cuando el Universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual), lo que permitiría poner un límite muy sólido al posible nivel de birrefringencia.

La sorpresa llegó al recibir las nuevas imágenes infrarrojas obtenidas con el CFHT. Este rango de la luz desveló que había un objeto mucho menos luminoso en una posición en el cielo mucho más cercana a la de la explosión GRB. En realidad, el objeto observado con el GTC no era el origen del estallido. Estaba ahí por casualidad. Pero sirvió para descartar un posible origen y establecer, tras estudiar todos los datos visibles e infrarrojos, que el desplazamiento al rojo tiene en realidad un valor de z~1,3, un 30% más lejos que la estimación anterior.

Esto significa que, pese a ser menos preciso que el observado con el GTC, está mucho más lejos. “Aun así - afirma Fernández Soto-, el límite que obtenemos es más restrictivo que otros límites obtenidos con anterioridad”.

Como podemos comprobar, estos breves estallidos abren muchas incógnitas a medida que vamos profundizando en su conocimiento. La mayor parte de los telescopios mantienen programas especializados de seguimiento de este tipo de explosiones. GTC ha sido muy exitoso en estas observaciones, consiguiendo imágenes y espectros de muy alta calidad que han permitido poner límites muy severos a los posibles modelos de las explosiones subyacentes. Además, en el futuro podrán utilizarse de modo regular para otro tipo de medidas, como las de birrefringencia presentadas en este estudio u otras relativas a la absorción en el medio intergaláctico.

Notas

[1] Las medidas de polarización en fuentes cosmológicas también son una potente herramienta para definir la Violación de la Invarianza de Lorentz (LIV, Lorentz Invariance Violation), resultado del fenómeno de la birrefrigencia (la doble refracción) de vacío.

 Más información:

Este trabajo ha sido publicado en el artículo científico “The polarized Gamma-Ray Burst GRB 061122”, hecho público el 1 de junio de 2013 en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Volumen 413) y sus autores son D. Götz (Laboratorio AIM de Interacciones Astrofísicas Multi-escala [Unidad Mixta de Investigación 7158 (UMR) del Comisariado para la Energía Atómica (CEA)/Dirección de Ciencias de la Materia (DSM)-Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS)-Universidad Paris Diderot] y Servicio de Astrofísica del Instituto de Investigaciones sobre las Leyes Fundamentales del Universo (Irfu), Francia); S. Covino (Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) – Observatorio Astronómico de Brera, Italia); A. Fernández-Soto (IFCA, Instituto de Física de Cantabria (Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y Universidad de Cantabria (UC) y Unidad Asociada del Observatorio Astronómico de la Universidad de Valencia–IFCA, España); P. Laurent (Laboratorio APC de Astropartículas y Cosmología [UMR 7164 CEA/DSM/Irfu, Universidad Paris Diderot, CNRS/ Instituto Nacional de Física Nuclear y Física de Partículas (IN2P3), Observatorio de París, Francia); y Z . Bosnjak (Departamento de Física de la Universidad de Rijeka, Croacia).

Además del Gran Telescopio CANARIAS (GTC), para obtener los datos de este trabajo se ha utilizado información obtenida en el telescopio espacial INTEGRAL, por el instrumento IBIS, en el telescopio TNG (Telescopio Nazionale Galileo) y en el telescopio CFHT (Canada France Hawaii Telescope).

El Gran Telescopio CANARIAS (GTC) es el telescopio óptico-infrarrojo más grande y uno de los más avanzados del mundo. Es una iniciativa liderada por el IAC y gestionada por la empresa pública GRANTECAN, participada por la Administración General del Estado (MINECO) y el Gobierno de Canarias, a través de los Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER) de la Unión Europea. Además, cuenta con la participación de México, a través del IA-UNAM (Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México) y del INAOE (Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica), y Estados Unidos, a través de la Universidad de Florida.

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