Investigadors del Departament d'Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València participen en el descobriment d'un gegantesc esclat de raigs gamma as-sociat a un magnetar extragalàctic, GRB2001415. Els resultats han sigut publicats en Nature el 23 de desembre de 2021.
Entre les estreles de neutrons, objectes que poden contindre mig milió de vegades la massa de la Terra en un diàmetre d'uns vint quilòmetres, destaca un xicotet grup amb el camp magnètic més intens conegut: els magnetars. Aquests objectes, dels quals apenes es coneixen trenta, pateixen violentes erupcions que són encara poc conegudes a causa del seu caràcter inesperat i a la seua duració de tot just dècimes de segon. Detectar-les suposa un repte per a la ciència i la tecnologia.
Un equip científic internacional amb destacada participació d'investigadors del Departament d'Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València (UV) publica hui en la revista Nature l'estudi de l'erupció d'un magnetar amb detall: han aconseguit mesurar oscil·lacions –polsos– en la lluentor del magnetar durant els seus instants més violents. Aquests episodis són un component crucial per a comprendre les erupcions gegants dels magnetars. Es tracta d'una qüestió llargament debatuda durant els passats 20 anys que hui té resposta, si hi ha oscil·lacions d'alta freqüència en els magnetars.
La gegantesca explosió de raigs gamma es va produir en la veïna galàxia Escultor (NGC 253). “Totes les característiques d'aquesta explosió apunten al fet que es va originar en una estrela de neutrons altament magnetitzada”, indica José Antonio Font, catedràtic d'Astronomia i Astrofísica de la UV i coautor de l'article. Aquests objectes compactes, també anomenats magnetars, són uns dels objectes més excitants de l'univers. "Estan fets de la forma més compacta de matèria que coneixem", afirma Pablo Cerdà-Durán, Investigador Ramón y Cajal en la UV. "No obstant això, no sabem quin és l'estat exacte d'aquesta matèria!" A més, els magnetars tenen els camps magnètics més intensos de l'univers.
“L'explosió del magnetar la descobrirem el 15 d'abril de 2020, en plena pandèmia”, comenta Víctor Reglero, catedràtic d'Astronomia i Astrofísica de la UV, investigador del Image Processing Laboratory (IPL), coautor de l'article i un dels artífexs del Atmosphere Space Interactions Monitor (ASIM), l'instrument a bord de l'Estació Espacial Internacional (ISS) que va detectar l'erupció. “Des de llavors hem desenvolupat una labor d'anàlisi de dades molt intensa, ja que es tractava d'una estrela de neutrons de 1016 Gauss i situada en una altra galàxia. Un vertader monstre còsmic!”, remarca Reglero. ASIM és una missió de l'ESA desenvolupada per Dinamarca, Noruega i Espanya, que està operativa en l'ISS des de 2018 sota la supervisió dels investigadors Torsten Neubert (Technical University of Denmark), Nikolai Ostgaard (University of Bergen, Norway) i Víctor Reglero (Universitat de València, Espanya), que formen el ASIM Facility Science Team. “A causa de la seua gran superfície de detecció, ASIM va ser l'únic d'un total de set detectors capaç de registrar la fase principal de l'erupció en el seu rang complet d'energia sense patir saturacions” emfatitza Reglero. L'equip científic va poder resoldre l'estructura temporal de l'esdeveniment, una tasca veritablement complexa que va implicar més d'un any d'anàlisi per a tan sols un segon durant el qual es van prendre les dades.
“Fins i tot en un estat inactiu, els magnetars poden ser cent mil vegades més lluminosos que el nostre Sol", apunta Alberto J. Castro-Tirado, investigador del IAA-CSIC que encapçala el treball. "Però en el cas del centelleig que hem estudiat, GRB2001415, que va durar només al voltant d'una dècima de segon, l'energia que es va alliberar és equivalent a l'energia que irradia el nostre Sol en cent mil anys. Les observacions van revelar múltiples polsos, amb un primer pols que va aparéixer només al voltant de desenes de microsegons, molt més veloç que altres fenòmens transitoris extrems”.
Interpretació teòrica
Es creu que les erupcions en els magnetars poden deure's a inestabilitats en la seua magnetosfera o a una espècie de “sismes” produïts en la seua escorça, una capa de caràcter rígid i elàstic d'al voltant d'un quilòmetre de grossària. “Independentment del desencadenant, en la magnetosfera de l'estrela es crearan un tipus d'ones, les ones d'Alfvén, que són ben conegudes en el Sol i que, mentre reboten cap avant i cap endarrere entre els punts de la base de les seues línies de camp magnètic, interactuen entre si dissipant energia”, apunta Castro-Tirado.
Les oscil·lacions detectades en l'erupció són consistents amb l'emissió que produeix la interacció entre les ones d'Alfvén, l'energia de les quals és ràpidament absorbida per l'escorça. Així, en uns pocs mil·lisegons acaba el procés de reconnexió magnètica i, per tant, també els polsos detectats en GRB2001415, que van desaparéixer als 3.5 mil·lisegons després de l'esclat principal. L'anàlisi del fenomen ha permés estimar que el volum de la flamerada va ser similar o fins i tot major al de la pròpia estrela de neutrons.
"Amb les freqüències d'oscil·lació recentment detectades, obtenim informació molt valuosa de com es comporten els magnetars, la qual cosa farà que la nostra comprensió d'aquests objectes exòtics avanç significativament", comenta Michael Gabler, Investigador Distingit d'Excel·lència de la Generalitat Valenciana en la UV. D'una banda, si les freqüències estigueren relacionades amb sismes estel·lars, milloraria el nostre coneixement de l'estructura de les estreles de neutrons. D'altra banda, si les oscil·lacions estigueren relacionades amb processos de reconnexió magnètica en la magnetosfera, aprendríem com ocorren aquestes erupcions gegants.
"La detecció d'oscil·lacions quasi-periòdiques en GRB2001415 ha suposat tot un repte des del punt de vista de l'anàlisi de senyals. La dificultat radica en la brevetat del senyal, l'amplitud del qual decau ràpidament i queda embeguda en el soroll de fons. I, en ser soroll correlat, resulta difícil distingir el senyal del soroll. Devem, doncs, aquest resultat a les sofisticades tècniques d'anàlisis de dades que s'han aplicat de manera independent pels diferents membres de l'equip, però també és sense cap dubte un assoliment tecnològic a causa de l'excel·lent qualitat de les dades proporcionades per l'instrument ASIM", apunta Javier Pascual, investigador del IAA-CSIC que ha participat en el treball.
Encara que aquestes erupcions s'havien detectat ja en dos dels trenta magnetares coneguts en la nostra galàxia i en alguna altra galàxia pròxima, GRB2001415 seria l'erupció en un magnetar més distant captada fins hui, en trobar-se en el grup de galàxies Sculptor a uns tretze milions d'anys llum. “Vist en perspectiva, ha sigut com si el magnetar volguera indicar-nos la seua existència des de la seua soledat còsmica, cantant en els kHz amb la força d'un Pavarotti d'un bilió de sols”, relata Reglero.
Segons els autors de l'article publicat ara en Nature, aquesta erupció ha proporcionat un component crucial per a comprendre com es produeixen les tensions magnètiques dins i al voltant d'una estrela de neutrons. El monitoratge continu de magnetars en galàxies pròximes ajudarà a comprendre aquest fenomen, i també aplanarà el camí cap a un millor coneixement de les ràfegues de ràdio ràpides, un dels fenòmens més enigmàtics de l'astronomia actual.
Referència:
Very-high-frequency oscillations in the main peak of a magnetar giant flare. A. J. Castro-Tirado, N. Østgaard, E. Göǧüş, C. Sánchez-Gil, J. Pascual-Granado, V. Reglero, A. Mezentsev, M. Gabler, M. Marisaldi, T. Neubert, C. Budtz-Jørgensen, A. Lindanger, D. Sarria, I. Kuvvetli, P. Cerdá-Durán, J. Navarro-González, J. A. Font, B.-B. Zhang, N. Lund, C. A. Oxborrow, S. Brandt, M. D. Caballero-García, I. M. Carrasco-García, A. Castellón, M. A. Castro Tirado, F. Christiansen, C. J. Eyles, E. Fernández-García, G. Genov, S. Guziy, Y.-D. Hu, A. Nicuesa Guelbenzu, S. B. Pandey, Z.-K. Peng, C. Pérez del Pulgar, A. J. Reina Terol, E. Rodríguez, R. Sánchez-Ramírez, T. Sun, K. Ullaland & S. Yang
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04101-1
Video: https://www.dropbox.com/s/syfqnbbknwe6p4a/Magnetar_v5_TEXT.mp4?dl=0
Contactes:
Prof. Pablo Cerdá Durán (pablo.cerda@uv.es)
Prof. José Antonio Font (j.antonio.font@uv.es)
Prof. Michael Gabler (michael.gabler@uv.es)
Prof. Víctor Reglero (victor.reglero@uv.es)
