Surge una nueva teoría para explicar un estallido cósmico de rayos gamma, de los conocidos como "explosiones largas", sin precedente.

Un chorro de larga duración ha sido presentado como posible explicación de lo que generó un estallido de luz en rayos gamma increíblemente luminoso y sin precedente, registrado en el año 2022. El nuevo descubrimiento, presentado en "Astrophysical Journal", no sólo ayuda a explicar los orígenes de las "Explosiones largas de rayos gamma" (GRB) "largos", sino que también proporciona información sobre la naturaleza y la física propia de los agujeros negros, los campos magnéticos y sus discos de acreción.

La supernova "SN 1987" después de que explotara en febrero de 1987 (izquierda) y una imagen de la misma zona dentro de la Nebulosa de la Tarántula en la Gran Nube de Magallanes antes de la explosión (derecha). Tomada de Naukas. Crédito: David Malin / Australian Astronomical Observatory.

Dicho evento, ofreció nuevas evidencias observacionales de que pueden producirse (GRB) como resultado de la fusión de una estrella de neutrones con otro objeto compacto, ya sea, un cuerpo celeste o un agujero negro; un hallazgo que anteriormente se creía que era imposible.

Después de desarrollar la primera simulación numérica que sigue la evolución del chorro en una fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones a grandes distancias, astrofísicos de la Universidad de Northwestern descubrieron que el agujero negro posterior a la fusión puede lanzar chorros de material desde la estrella de neutrones devorada.

Pero los ingredientes claves son la masa del violento remolino de gas, o disco de acreción, que rodea el agujero negro y la fuerza del campo magnético del disco.

En los discos masivos, cuando el campo magnético es fuerte, el agujero negro lanza un chorro de corta duración que es mucho más brillante que cualquier cosa jamás vista en observaciones; sin embargo, cuando es más débil, lanza un torrente con la misma luminosidad y larga duración que el misterioso (GRB), apodado (GRB211211A), que fuera detectado en el año 2021 y reportado en 2022.

Expresó Ore Gottlieb, de la Universidad Northwestern, quien codirigió el trabajo: “Hasta ahora, nadie más ha desarrollado ningún trabajo numérico o simulaciones que sigan un chorro desde la fusión del objeto compacto hasta la formación de éste y su evolución a gran escala. La motivación de nuestro trabajo fue hacer esto por primera vez. Y lo que encontramos coincidió con las observaciones de (GRB211211A)”.

Los "brotes de rayos gamma" (GRB), o en español, (BRG) son destellos de "Rayos Gamma" asociados con explosiones extremadamente energéticas en Galaxias distantes. Son los eventos electromagnéticos más luminosos que ocurren en el Universo. Los brotes pueden durar desde unos nanosegundos hasta varias horas, pero, por lo general, un brote típico suele durar unos pocos segundos.

Con frecuencia son seguidos por una "luminiscencia" residual de larga duración de radiación a longitudes de onda mayor, como son: Rayos X, radiación ultravioleta, luz visible, radiación infrarroja y radiofrecuencia. 

Se cree que muchos de los (BRG) son haces muy colimados, con radiación intensa producidos a causa de una "supernova", es decir, luz  cuyos rayos son paralelos entre sí, lo que se puede lograr de diferentes formas, siendo la más sencilla hacerla incidir en un espejo cóncavo desde una fuente situada en el "foco". El rayo láser, suele estar colimado, debido a que se genera en el interior de una cámara entre dos espejos de este tipo, además de ser coherente. Así pues la luz de las estrellas, incluido el Sol, puede considerarse colimada, para casi cualquier propósito, debido a que están a distancias muy grandes. Se suele decir que la luz colimada está enfocada en el infinito.

Una subclase de (BRG), denominados brotes «cortos», parece ser originada por un proceso diferente, posiblemente la fusión de estrellas binarias de neutrones mientras que los «brotes largos» parecen derivarse a causa de la muerte de estrellas masivas, es decir, por una supernova, o incluso por una "hipernova". Los dos tipos de brotes se diferencian por su tiempo de duración: los primeros suelen durar menos de dos segundos, mientras que los otros tienden a alargarse durante más tiempo.

Las fuentes de los (BRG) se encuentran a miles de millones de años luz de distancia de nuestro planeta, que implica que las explosiones sean extremadamente energéticas, de hecho, se ha comprobado que un brote típico puede generar la misma energía que el Sol en un periodo de diez mil millones de años, y son extremadamente raras, algunas suceden por galaxia cada millón de años.

Todos los (BRG) que han podido ser observados, se han originado fuera de nuestra Galaxia, "La Vía Láctea", aunque una clase de fenómenos relacionados, los conocidos como "llamaradas de rayos gamma suaves", se asocian con los un tipo de estrella de neutrones conocida como "magnetares", situadas dentro de "La Vía Láctea", y se ha teorizado que un brote de rayos gamma ocurrido dentro de la Vía Láctea pudo haber sido la causa de alguna(s) de las extinciones masivas de la vida en la Tierra.

Paseando entre discos de acreción.

El disco es una estructura común en el Universo. Tanto las "Galaxias" como las "Estrellas" se han formado a la vez en discos de acrecimiento, eso si, de muy diferentes dimensiones. El motivo que origina tan comunes estructuras a partir de informes nubes de gas es sencillo, casi toda masa de gas posee un cierto "momento angular", una mínima cantidad de rotación.

Esto es, las inmensas nubes que se colapsan formando estas estructuras giran inicialmente, de manera extremadamente lenta. El sistema de gas en rotación se mantiene en un delicado equilibrio que se puede romper debido a la onda de presión de una "supernova" o a que alcanza una cantidad de masa crítica, por ejemplo.

Cuando sobreviene la inestabilidad y la nube se comprime por el efecto creciente de la gravedad, esta empieza a experimentar ciertos cambios que la conducirán a formar un disco, al comprimirse la nube gira más deprisa por conservación del momento angular. Pero este giro solo ocurre a lo largo de su plano de giro. Entonces en las zonas de mayor rotación la "fuerza centrífuga" adquiere cada vez mayor intensidad. Esta "asimetría" cada vez más acusada es la que, poco a poco, acaba por dar su forma característica al disco.

Representación artística de un disco de acrecimiento en una estrella alimentado por material procedente de su compañera binaria. Imagen tomada de wikipedia, de NASA-Hubble.

Las regiones suprayacentes y subyacentes al plano de giro, es decir los polos, caen libres a gran velocidad mientras que el gas que gira a lo largo de dicho plano se ve muy frenado por la creciente fuerza centrífuga. Así pues, la acción combinada de rotación y gravedad es la que, al final, dará esta forma de disco.

Los discos de acrecimiento más activos presentan fuertes chorros de emisión de material a lo largo del eje de rotación. Este fenómeno se denomina comúnmente difusión ambipolar. La estructura y naturaleza de los mecanismos de emisión en chorro no se conocen con precisión aunque se cree que tienen que ver con la presencia de un fuerte "Campo Magnético". El material central fuertemente "ionizado" escupe una parte de sí a través de las "líneas de campo" que actúan en forma de guías.

A menudo, en Sistemas Binarios en los que una de las estrellas es un "Objeto Compacto", como un "Púlsar" o un "agujero negro", las observaciones muestran indicios de material circulando desde la estrella brillante hacia el objeto compacto. Esto ocurre cuando la estrella posee sus capas exteriores en el interior del llamado "Límite de Roche" del objeto compacto. El material arrancado fluye sobre dicho objeto formando un disco de acrecimiento a su alrededor. En el caso de los agujeros negros, la materia se llega a acelerar tanto que las emisiones de radiación procedentes del vórtice se dan en la longitud de onda de los "rayos X" Las fuentes de estos suelen ser, de hecho, una pista que delata su presencia.

Un disco de acrecimiento o disco de acreción es una estructura en forma de disco, compuesto de gas y polvo girando en torno a un objeto central masivo. El material del disco, por pérdida de energía rotacional, tiende a decaer hacia el centro, donde la masa se suma a la del objeto central. La dinámica de estos objetos astrofísicos está gobernada principalmente por la "Ley de Conservación del Momento Angular".

El disco puede ser extenso verticalmente dando lugar a una estructura de tipo "toroidal", y pueden encontrarse alrededor de diversos cuerpos celestes, como son: agujeros negros, de "Active Galactic Nuclei" (AGN), es decir, "Núcleos de Galaxias Activos", o, alrededor de estrellas muy jóvenes en proceso de formación. En este último caso, se denominan también "Discos Circunestelares", y usualmente, los sistemas planetarios se originan a partir de discos de este tipo.

El proceso, un poco después, con fundamento en la diferencia de densidades de materia en el disco de acreción, causará que se formen cúmulos de donde el resto de los elementos del sistema se terminen de formar, cómo planetas y sus satélites.

Imagen captada por el "Telescopio Espacial Hubble" de un disco de acrecimiento rodeando el "Agujero Negro" del núcleo de la "Galaxia Elíptica NGC 4261. Tomada de wikipedia, trabajo de L. Ferrarese (Johns Hopkins University) and NASA - HubbleSite.

En estos sistemas astrofísicos de altas "Densidades de Energía", partículas cargadas como son protones y núcleos atómicos pueden ser acelerados a "velocidades relativistas" y generar rayos cósmicos de "ultra-Altas" energías, los cuales son un tipo de radiación cósmica con un espectro de energía más alto al habitual observado en astronomía.

Se consideran velocidades relativista a aquellas en que aquella que representa un porcentaje significativo de la velocidad de la luz, 300 mil kilómetros por segundo, y que por ello obliga a tener en cuenta los efectos de la "Teoría de la Relatividad Especial" a la hora del estudio científico.

Entonces podemos concluir que el material que gira a gran velocidad alrededor del agujero negro en un viaje espiral hacia ser engullido es lo que se denomina disco de acreción. Esta materia viaja a grandes velocidades y adquiere gran temperatura, lo cual la hace resplandecer. Es lo que da a los agujeros negros su anillo de brillo pese a ser en sí objetos que absorben luz en lugar de irradiarla. 

Es el disco de acreción el que genera un campo magnético alrededor del agujero negro, no el agujero en sí.

Los descubrimientos realizados a partir del uso de las nuevas herramientas de observación del Universo, conduce a la formulación de nuevas teorías, las que resultan impensables con sustento en los antiguos conocimientos, mismos que van siendo superados por el nivel de detalle captado. Si el Telescopio Espacial Hubble, nos dio grandes momentos, el Telescopio Espacial James Webb, y los demás sistemas instalados en la superficie del planeta nos otorgarán mejores perspectivas en el futuro, incluso en el corto plazo.