Una explosió de raigs gamma rècord ofereix noves pistes sobre els jets còsmics

Un equip internacional de científics ha anunciat observacions decisives de l’explosió de raigs gamma (GRB, de gamma-ray burst) més brillant mai registrada, GRB 221009A. Les troballes, publicades avui a The Astrophysical Journal Letters, proporcionen l’evidència més sòlida fins ara de l’existència de jets complexos i estructurats en GRBs de llarga durada, explosions còsmiques que es troben entre els esdeveniments més potents de l’Univers.

Els investigadors formen part de la CTAO LST Collaboration, un projecte científic global dedicat a avançar en l’astronomia de raigs gamma d’energia molt alta. La col·laboració reuneix experts de més d’11 països per dissenyar, construir i operar els Telescopis de Gran Mida (LSTs) de l’Observatori de Telescopis Txerenkov (CTAO), la instal·lació de nova generació per explorar els fenòmens més extrems de l’Univers. Un equip d’investigadors de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) hi participa.

El GRB 221009A, anomenat ‘BOAT’ (Brightest Of All Time, el més brillant de tots els temps), va ser detectat per primera vegada el 9 d’octubre de 2022 per observatoris espacials com els satèl·lits Fermi i Swift de la NASA. L’explosió va ser tan intensa que va saturar els detectors i va desencadenar observacions de seguiment arreu del món.

El telescopi LST-1, situat al lloc nord del CTAO a La Palma, va començar a observar l’esdeveniment només 1,33 dies després de l’explosió inicial, convertint-se en les observacions terrestres més primerenques de raigs gamma d’energia molt alta d’aquest esdeveniment per part d’un telescopi Txerenkov atmosfèric d’imatge. Aquests instruments detecten raigs gamma de manera indirecta capturant els breus flaixos de llum produïts quan aquests raigs interactuen amb l’atmosfera terrestre. Tot i les condicions difícils a causa de la llum de la lluna, l’equip va poder registrar un excés d’esdeveniments de raigs gamma del GRB 221009A, cosa que el convertia en una troballa rara i valuosa en aquest rang d’energia.

El que fa especialment emocionant aquest descobriment és la seva contribució a la comprensió dels GRBs, com funcionen i com emeten quantitats tan colossals d’energia. Les dades de l’LST-1 donen suport a la teoria que el GRB 221009A va ser impulsat per un jet estructurat, un nucli estret i ultraràpid envoltat per una ala més lenta i ampla. Això contrasta amb els models més simples de jets ‘top-hat’ que s’utilitzen habitualment per descriure els GRBs.

«El GRB 221009A proporciona una evidència sòlida d’un jet estructurat en GRBs llargs», diu Arnau Aguasca-Cabot, investigador de l’IEEC a l’ICCUB i coordinador de l’estudi. «La seva detecció té implicacions significatives per als models teòrics de jets».

Les observacions de l’LST-1 també ajuden a distingir entre models teòrics competidors. Alguns preveien una emissió de raigs gamma d’energia molt alta molt més gran que l’observada. Les noves dades descarten aquests models, de manera que redueixen el camp i guien la recerca futura.

«Esdeveniments únics com aquest GRB, que desafien els models teòrics, poden revelar pistes sobre la naturalesa desconeguda del motor central que impulsa aquest jet còsmic», explica Pol Bordas, investigador de l’IEEC a l’ICCUB i coautor de l’estudi.

Els Telescopis de Gran Mida (LST, per les sigles en anglès) són un dels tres tipus de telescopis que el CTAO utilitzarà per cobrir el seu ampli rang d’energia, des de 20 GeV fins a 300 TeV. Quan els raigs gamma interactuen amb l’atmosfera terrestre, generen cascades de partícules que produeixen llum Txerenkov. Com que els raigs gamma de baixa energia generen només petites quantitats de llum Txerenkov, calen telescopis amb grans superfícies de col·lecció per detectar-la. L’LST, amb el seu plat de 23 metres de diàmetre, proporcionarà la sensibilitat única del CTAO en el rang de baixa energia entre 20 i 150 GeV.

Tot i tenir una alçada de 45 metres i pesar 100 tones, cada LST pot reorientar-se cap a qualsevol punt del cel en només 20 segons. Tant aquesta capacitat de reorientació ràpida com el llindar de baixa energia dels LST són crucials per als estudis del CTAO sobre transitoris galàctics, nuclis galàctics actius de gran desplaçament al vermell i esclats de raigs gamma.

La col·laboració LST del CTAO, responsable del disseny i construcció d’aquests telescopis, està avançant ràpidament al lloc del CTAO-Nord a La Palma, Espanya. El 2018 es va inaugurar el prototip LST-1, que ha estat en fase de posada en marxa des de llavors. Actualment, s’estan construint tres LST addicionals que es preveu que estiguin completats a la primavera de 2026.

El CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) serà l’observatori més gran i potent del món dedicat a l’astronomia de raigs gamma. La seva precisió sense precedents i el seu ampli rang d’energia (20 GeV – 300 TeV) ajudaran a abordar algunes de les qüestions més desconcertants de l’astrofísica, agrupades en tres grans temes: entendre l’origen i el paper de les partícules còsmiques relativistes; explorar entorns extrems, com ara forats negres o estrelles de neutrons; i investigar les fronteres de la física, cercant matèria fosca o desviacions de la teoria de la relativitat d’Einstein.

A més, el CTAO jugarà un paper clau en els camps de la multi-longitud d’ona i el multi-missatger durant les properes dècades gràcies al seu rendiment millorat, que li permetrà proporcionar informació fonamental sobre raigs gamma per explorar els escenaris més extrems.

Per cobrir el seu ampli rang d’energia, el CTAO utilitzarà tres tipus de telescopis: els Telescopis de Gran Mida (LST), els Telescopis de Mida Mitjana (MST) i els Telescopis de Petita Mida (SST). Més de 60 telescopis es distribuiran entre dos llocs: el CTAO-Nord a l’hemisferi nord, a l’Observatori del Roque de los Muchachos de l’Institut d’Astrofísica de Canàries (IAC) a La Palma (Espanya), i el CTAO-Sud a l’hemisferi sud, a l’Observatori Paranal de l’Observatori Europeu Austral (ESO) al desert d’Atacama (Xile).

La seu central del CTAO està acollida per l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) a Bolonya (Itàlia), i el Centre de Gestió de Dades (SDMC) està acollit pel Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY a Zeuthen (Alemanya).

El CTAO és un projecte de Big Data. L’Observatori generarà centenars de petabytes (PB) de dades a l’any (~12 PB després de la compressió). Basat en el seu compromís amb la ciència oberta, el CTAO serà el primer observatori de raigs gamma del seu tipus que operarà com un observatori obert, basat en propostes, proporcionant accés públic a les seves dades científiques d’alt nivell i productes de programari.

Al gener de 2025, el CTAO va ser establert com un Consorci Europeu d’Infraestructura de Recerca (ERIC) per la Comissió Europea. Els membres fundadors del CTAO ERIC són Àustria, la República Txeca, l’Observatori Europeu Austral (ESO), França, Alemanya, Itàlia, Polònia, Eslovènia i Espanya. A més, el Japó és un soci estratègic, i s’està processant l’adhesió de Suïssa i Croàcia com a membres fundadors.

El CTAO ERIC, conegut habitualment com l’Organització Central del CTAO, és responsable de la construcció i operació de l’Observatori. Aquest grup treballa en estreta cooperació amb socis d’arreu del món per al desenvolupament de l’Observatori. Els principals socis inclouen col·laboracions de contribució en espècie que desenvolupen components essencials de maquinari i programari, a més del Consorci CTAO, un grup internacional d’investigadors que treballa en l’explotació científica de l’Observatori.

Nota de premsa elaborada en col·laboració amb l’Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB).