Superant els límits: Descobriment de fotons de molt alta energia provinents d’un brot de raigs gamma

Comencen amb una espurna inicial molt brillant, anomenat emissió ràpida, amb una durada que varia des d'una fracció de segon fins a centenars de segons. Aquesta emissió immediata s'acompanya d'una post luminescència, una emissió més feble però més duradora en un ampli rang de longituds d'ona. El primer GRB detectat pels telescopis MAGIC, conegut com a GRB 190114C, revela els fotons de major energia detectats fins ara provinents d'aquests objectes.

Aquesta observació sense precedents aporta nous indicis per comprendre els processos físics que succeeixen en els GRB, els quals encara són un misteri. Els fotons detectats per MAGIC van originar-se a partir d'un procés fins ara no observat en la post luminescència de GRB, clarament diferent del procés físic responsable de la seva emissió a energies més baixes.

Aquests resultats es publiquen en dos articles a la revista Nature el 21 de novembre de 2019 (DOI: 10.1038 / s41586-019-1750-xi 10.1038 / s41586-019-1754-6)

Detecció de MAGIC i observacions en múltiples longituds d'ona

El 14 de gener de 2019, dos satèl·lits espacials van descobrir independentment 1 GRB: el Neil Gehrels Swift Observatory i el Fermi Gamma-ray Space Telescope. El brot es va anomenar GRB 190114C, i en 22 segons, les seves coordenades en el cel es van distribuir en forma d'alerta electrònica als astrònoms de tot el món, inclosa la Col·laboració MAGIC, que opera dos telescopis Cherenkov de 17 metres de diàmetre ubicats en la Palma, Espanya. Atès que els GRB apareixen en llocs impredictibles al cel i després s'esvaeixen ràpidament, la seva observació per telescopis com MAGIC requereix una estratègia de seguiment dedicada. Un sistema automàtic processa en temps real les alertes de GRB que envien els satèl·lits i fa que els telescopis MAGIC apuntin ràpidament a la posició del cel on s'ha produït el GRB. Maria Victòria Fonseca, presidenta de la Junta de la Col·laboració MAGIC destaca: "Els telescopis van ser dissenyats per ser molt lleugers i poder-se moure ràpidament. Tot i pesar 64 tones cadascun, poden girar 180 graus en només 25 segons. Gràcies a això, MAGIC va començar a observar GRB 190114C només 50 segons després del seu començament".

L'anàlisi de les dades recollides durant les primeres desenes de segons revela l'emissió de fotons en la post-luminiscència que arriben energies de teraelectronvolts (TeV), un bilió de vegades més energètics que la llum visible. Durant aquest temps, l'emissió de fotons de TeV de l'GRB 190114C va ser 100 vegades més intensa que la font estable més brillant coneguda en aquestes energies, la Nebulosa d'el Cranc. Així, el GRB 190114C va passar a ostentar el rècord de ser la font més brillant coneguda de fotons de TeV. Com s'esperava per a la post-luminiscència dels GRB, l'emissió es va esvair ràpidament amb el temps, igual que la post-luminescència ja observada a energies més baixes. Els últims centelleigs van ser vistos per MAGIC mitja hora després.

Per primera vegada, la Col·laboració MAGIC va anunciar la detecció inequívoca de fotons de TeV d'un GRB a la comunitat internacional d'astrònoms només unes hores després de les alertes enviades pels satèl·lits, després d'una acurada verificació de les dades preliminars. Això va facilitar una extensa campanya d'observacions en múltiples longituds d'ona de l'GRB 190114C, amb la contribució de més de dues dotzenes d'observatoris i instruments, proporcionant una cobertura completa d'aquest GRB des de la banda de ràdio fins a les energies TeV. En particular, les observacions òptiques van permetre mesurar la distància que han viatjat els fotons des que es van generar en el GRB 190114C, aproximadament 4,5 milions d'anys llum.

Els fotons de major energia posen en evidència un procés d'emissió addicional

Encara que l'emissió de TeV en la post-luminiscència dels GRB s'havia predit en alguns estudis teòrics, mai abans s'havia confirmat experimentalment, tot i nombrosos esforços en les últimes dècades amb diversos instruments, inclòs MAGIC. Què mecanisme físic està darrere de la producció dels fotons de TeV finalment detectats per MAGIC? Les energies són molt més altes del que es pot esperar de la radiació sincrotró, causada pels electrons d'alta energia en moviment dins de camps magnètics. Aquest procés es considera responsable de l'emissió que s'havia observat anteriorment a energies més baixes en la post-luminiscència dels GRB. "La nit que vam detectar el GRB 190114C, estava a la sala de control dels telescopis MAGIC. Des del primer moment, ens vam adonar que els fotons que anàvem veient passaven el límit de la radiació de sincrotró. Aquests nous resultats, juntament amb les nombroses dades en múltiples longituds d'ona, proporcionen la primera evidència inequívoca d'un procés d'emissió addicional i diferent de la post-luminescència. " explica Elena Moretti, astrofísica de la comunitat espanyola i una de les autores principals dels resultats. L'anàlisi de les dades indica que el candidat preferit és l'anomenat procés invers de Compton, on els electrons d'alta energia transfereixen energia en col·lidir amb la població de fotons existents, fent-los més energètics.

"Després de més de 50 anys des que es van descobrir els GRB, molts dels seus aspectes fonamentals segueixen sent un misteri", comenta Razmik Mirzoyan, el portaveu de la Col·laboració MAGIC. "El descobriment de l'emissió de raigs gamma en el GRB 190114C a la banda TeV de l'espectre electromagnètic mostra que els GRB són encara més potents del que es pensava. La riquesa de les dades de l'GRB 190114C adquirits per MAGIC i les extenses observacions de seguiment en múltiples longituds d'ona, ofereixen pistes importants per desentranyar alguns dels misteris relacionats amb els processos físics que succeeixen en els GRB ".

Un estudi comparatiu de totes les observacions anteriors de GRB per MAGIC suggereix que el GRB 190114C no va ser un esdeveniment particularment únic, excepte per la seva relativa proximitat (a uns 4,5 milions d'anys llum de la Terra), i que la detecció reeixida es deu a l'excel·lent rendiment de l'instrument. Amb la detecció de l'GRB 190114C, MAGIC obre una nova finestra per estudiar els GRB. Tot indica que es poden detectar molts més GRB en les energies de l'TeV i facilitar el camí per a una comprensió molt més profunda d'aquestes fascinants explosions còsmiques.

La comunitat espanyola participa en MAGIC des dels seus inicis. Actualment són membres de MAGIC el Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT), l'Institut d'Astrofísica de Canàries (IAC), l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat de Barcelona (UB) i la Universitat Complutense de Madrid (UCM). L’IEEC participa en aquest projecte a través d’investigadors de les unitats ICCUB i CERES-UAB A més, el centre de dades de MAGIC és el Port d'Informació Científica (PIC), una col·laboració de l'IFAE i el CIEMAT.

Enllaços

– IEEC
– MAGIC
– ICCUB
 
Més informació

Aquesta recerca es presenta en dos articles publicats a la revista Nature el 21 de novembre de 2019 (DOI: 10.1038/s41586-019-1750-x i  10.1038/s41586-019-1754-6).

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia.  Com a resultat de més de 20 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.
 
L’IEEC és una fundació privada sense ànim de lucre regida per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya i unes altres quatre institucions amb una unitat científica cadascuna, que en conjunt constitueixen el nucli de l’activitat d’I+D de l’IEEC: la Universitat de Barcelona (UB) amb la unitat científica ICCUB – Institut de Ciències del Cosmos; la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) amb la unitat científica CERES – Centre d’Estudis i Recerca Espacials; la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) amb la unitat científica CTE – Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai; i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) amb la unitat científica ICE – Institut de Ciències de l’Espai. L’IEEC està integrat en la xarxa CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).

Imatges
PR_Image1
Peu d’imatge: Recreació artística d’un dels telescopis MAGIC veient un brot de raigs gamma.
Crèdit: Gabriel Pérez Díaz/IAC.
Restriccions d’ús: Per ús per part de periodistes, juntament amb la cobertura d’aquest comunicat de premsa.