Investigadores del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València participan en el descubrimiento de un gigantesco estallido de rayos gamma asociado a un magnetar extragaláctico, GRB2001415. Los resultados han sido publicados en Nature el 23 de diciembre de 2021.
Entre las estrellas de neutrones, objetos que pueden contener medio millón de veces la masa de la Tierra en un diámetro de unos veinte kilómetros, destaca un pequeño grupo con el campo magnético más intenso conocido: los magnetares. Estos objetos, de los que apenas se conocen treinta, sufren violentas erupciones que son aún poco conocidas debido a su carácter inesperado y a su duración de apenas décimas de segundo. Detectarlas supone un reto para la ciencia y la tecnología.
Un equipo científico internacional con destacada participación de investigadores del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València (UV) publica hoy en la revista Nature el estudio de la erupción de un magnetar en detalle: han logrado medir oscilaciones –pulsos– en el brillo del magnetar durante sus instantes más violentos. Estos episodios son un componente crucial para comprender las erupciones gigantes de los magnetares. Se trata de una cuestión largamente debatida durante los pasados 20 años que hoy tiene respuesta, si hay oscilaciones de alta frecuencia en los magnetares.
La gigantesca explosión de rayos gamma se produjo en la vecina galaxia Escultor (NGC 253). “Todas las características de esta explosión apuntan a que se originó en una estrella de neutrones altamente magnetizada”, indica José Antonio Font, catedrático de Astronomía y Astrofísica de la UV y coautor del artículo. Estos objetos compactos, también llamados magnetares, son unos de los objetos más excitantes del universo. "Están hechos de la forma más compacta de materia que conocemos", afirma Pablo Cerdá-Durán, Investigador Ramón y Cajal en la UV. "Sin embargo, ¡no sabemos cuál es el estado exacto de esta materia!" Además, los magnetares poseen los campos magnéticos más intensos del universo.
“La explosión del magnetar la descubrimos el 15 de abril de 2020, en plena pandemia”, comenta Víctor Reglero, catedrático de Astronomía y Astrofísica de la UV, investigador del Image Processing Laboratory (IPL), coautor del artículo y uno de los artífices del Atmosphere Space Interactions Monitor (ASIM), el instrumento a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) que detectó la erupción. “Desde entonces hemos desarrollado una labor de análisis de datos muy intensa, ya que se trataba de una estrella de neutrones de 1016 Gauss y situada en otra galaxia. ¡Un verdadero monstruo cósmico!”, remarca Reglero. ASIM es una misión de la ESA desarrollada por Dinamarca, Noruega y España, que está operativa en la ISS desde 2018 bajo la supervisión de los investigadores Torsten Neubert (Technical University of Denmark), Nikolai Ostgaard (University of Bergen, Norway) y Víctor Reglero (Universitat de València, España), que forman el ASIM Facility Science Team. “Debido a su gran superficie de detección, ASIM fue el único de un total de siete detectores capaz de registrar la fase principal de la erupción en su rango completo de energía sin sufrir saturaciones” enfatiza Reglero. El equipo científico pudo resolver la estructura temporal del evento, una tarea verdaderamente compleja que implicó más de un año de análisis para tan sólo un segundo durante el cual se tomaron los datos.
“Incluso en un estado inactivo, los magnetares pueden ser cien mil veces más luminosos que nuestro Sol", apunta Alberto J. Castro-Tirado, investigador del IAA-CSIC que encabeza el trabajo. "Pero en el caso del destello que hemos estudiado, GRB2001415, que duró solo en torno a una décima de segundo, la energía que se liberó es equivalente a la energía que irradia nuestro Sol en cien mil años. Las observaciones revelaron múltiples pulsos, con un primer pulso que apareció solo alrededor de decenas de microsegundos, mucho más veloz que otros fenómenos transitorios extremos”.
Interpretación teórica
Se cree que las erupciones en los magnetares pueden deberse a inestabilidades en su magnetosfera o a una especie de “seísmos” producidos en su corteza, una capa de carácter rígido y elástico de alrededor de un kilómetro de espesor. “Independientemente del desencadenante, en la magnetosfera de la estrella se crearán un tipo de ondas, las ondas de Alfvén, que son bien conocidas en el Sol y que, mientras rebotan hacia adelante y hacia atrás entre los puntos de la base de sus líneas de campo magnético, interactúan entre sí disipando energía”, apunta Castro-Tirado.
Las oscilaciones detectadas en la erupción son consistentes con la emisión que produce la interacción entre las ondas de Alfvén, cuya energía es rápidamente absorbida por la corteza. Así, en unos pocos milisegundos termina el proceso de reconexión magnética y, por lo tanto, también los pulsos detectados en GRB2001415, que desaparecieron a los 3.5 milisegundos después del estallido principal. El análisis del fenómeno ha permitido estimar que el volumen de la llamarada fue similar o incluso mayor al de la propia estrella de neutrones.
"Con las frecuencias de oscilación recientemente detectadas, obtenemos información muy valiosa de cómo se comportan los magnetares, lo que hará que nuestra comprensión de estos objetos exóticos avance significativamente", comenta Michael Gabler, Investigador Distinguido de Excelencia de la Generalitat Valenciana en la UV. Por un lado, si las frecuencias estuvieran relacionadas con seísmos estelares, mejoraría nuestro conocimiento de la estructura de las estrellas de neutrones. Por otro lado, si las oscilaciones estuvieran relacionadas con procesos de reconexión magnética en la magnetosfera, aprenderíamos cómo ocurren estas erupciones gigantes.
"La detección de oscilaciones cuasi-periódicas en GRB2001415 ha supuesto todo un reto desde el punto de vista del análisis de señal. La dificultad radica en la brevedad de la señal, cuya amplitud decae rápidamente y queda embebida en el ruido de fondo. Y, al ser ruido correlado, resulta difícil distinguir la señal del ruido. Debemos, pues, este logro a las sofisticadas técnicas de análisis de datos que se han aplicado de manera independiente por los distintos miembros del equipo, pero también es sin lugar a dudas un logro tecnológico debido a la excelente calidad de los datos proporcionados por el instrumento ASIM", apunta Javier Pascual, investigador del IAA-CSIC que ha participado en el trabajo.
Aunque estas erupciones se habían detectado ya en dos de los treinta magnetares conocidos en nuestra galaxia y en alguna otra galaxia cercana, GRB2001415 sería la erupción en un magnetar más distante captada hasta la fecha, al hallarse en el grupo de galaxias Sculptor a unos trece millones de años luz. “Visto en perspectiva, ha sido como si el magnetar quisiera indicarnos su existencia desde su soledad cósmica, cantando en los kHz con la fuerza de un Pavarotti de un billón de soles”, relata Reglero.
Según los autores del artículo publicado ahora en Nature, esta erupción ha proporcionado un componente crucial para comprender cómo se producen las tensiones magnéticas dentro y alrededor de una estrella de neutrones. El monitoreo continuo de magnetares en galaxias cercanas ayudará a comprender este fenómeno, y también allanará el camino hacia un mejor conocimiento de las ráfagas de radio rápidas, en la actualidad uno de los fenómenos más enigmáticos de la astronomía.
Referencia:
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
Contactos:
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)
