Los estallidos cortos de rayos gamma (GRB) son algunas de las explosiones cósmicas más potentes y luminosas desde el Big Bang. A pesar de ello, sólo unos pocos de estos breves destellos de radiación son detectados por los satélites en órbita terrestre cada año. Ahora, en un par de nuevos artículos, los astrónomos han publicado el mayor estudio realizado hasta la fecha sobre los entornos y las condiciones que dan lugar a estas potentes explosiones, proporcionando un nuevo marco para interpretar sus orígenes. Esta investigación se realizó utilizando varios telescopios, entre ellos los Telescopios Magallanes del Observatorio Las Campanas de la Carnegie Institution for Science.
Aunque se conoce la existencia de GRBs cortos desde principios de los años 90, sólo en las dos últimas décadas se han detectado sus "resplandores" -radiación acompañante y de mayor duración en rayos X, visible y ondas de radio-, lo que ha permitido localizarlos con precisión en el cielo. Los estudios iniciales de estos GRBs cortos, localizados con precisión, han llevado a los astrónomos a concluir que lo más probable es que surjan de la colisión de estrellas de neutrones. Esta asociación fue confirmada por la primera detección conjunta de ondas gravitacionales y un GRB corto el 17 de agosto de 2017.
Edo Berger, profesor de astronomía de la Universidad de Harvard y del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian y coautor de los nuevos estudios, indicó que durante las últimas dos décadas, el equipo de investigación ha estado estudiando los GRBs cortos, sus resplandores y sus entornos un evento a la vez. "El evento de ondas gravitacionales GW170817 proporcionó la prueba final de una asociación con las colisiones de estrellas de neutrones. Nuestro objetivo clave ahora es determinar cómo se formaron estos sistemas a lo largo de la historia cósmica", subraya Berger.
Una representación artística de la diversidad de entornos de acogida de las explosiones cortas de rayos gamma (sGRB). Los SGRB pueden producirse en galaxias con formación estelar activa o en galaxias muertas, en las cercanías o en las profundidades del universo, y cerca o lejos de los centros de sus anfitriones. Todos los datos están disponibles públicamente en el sitio web BRIGHT (bright.ciera.northwestern.edu). Crédito: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko
En uno de los artículos, dirigido por Wen-fai Fong, profesor de astronomía de la Universidad de Northwestern, un amplio estudio de 84 galaxias que han albergado GRBs cortos revela propiedades detalladas de la población. La muestra de galaxias, que es al menos tres veces mayor que la de cualquier estudio anterior, fue observada exhaustivamente durante decenas de noches con los telescopios Magallanes de 6,5 metros del Observatorio Las Campanas, de la Institución Carnegie para la Ciencia, en Chile; el telescopio MMT de 6,5 metros del Observatorio Fred L. Whipple, en Arizona; y los telescopios Keck de 10 metros en la cima de Maunakea, en Hawai.
"Hemos pasado los últimos años estudiando minuciosamente cada galaxia que ha tenido la fortuna de albergar un GRB corto utilizando algunos de los telescopios más potentes del mundo. Un hallazgo clave de este trabajo es que los GRBs cortos existen en tiempos cósmicos más tempranos de lo que se conocía. La comprensión de la distribución de los GRBs cortos, y por lo tanto la época cósmica en la que se producen, proporciona una visión directa de la historia de la fusión de las estrellas de neutrones", dijo Fong. El hallazgo de que se producen más GRBs cortos a mayores desplazamientos al rojo muestra que existe una población mayor de binarias de fusión rápida de lo que se conocía hasta ahora".
En un artículo complementario sobre las propiedades de la población estelar de las galaxias que albergan GRBs cortos, dirigido por Anya Nugent, estudiante de posgrado de Fong, en la Universidad Northwestern, se descubrió que la mayoría de las galaxias que albergan GRBs cortos son relativamente jóvenes, galaxias de formación estelar activa y, en general, similares a la población de galaxias de campo normales.
"Esto es significativo, ya que muestra que los sistemas de estrellas de neutrones pueden formarse en una amplia gama de entornos y que la mayoría tienen escalas de tiempo de formación relativamente cortas, ya que las estrellas alrededor de muchos GRBs cortos son todavía jóvenes", señala Nugent.
La relativa escasez de galaxias viejas y masivas en la muestra es desconcertante, dado que la fusión binaria de estrellas de neutrones GW170817 se produjo exactamente en un entorno de este tipo. "GW170817 es hasta ahora el único GRB corto encontrado a través de ondas gravitacionales, por lo que es difícil llegar a conclusiones firmes sobre la población. A partir de la población mucho mayor de entornos de GRBs cortos estudiados aquí, encontramos que el entorno de GW170817 es en realidad bastante raro en la población general", dijo Nugent.
Los GRBs cortos de la muestra se detectaron inicialmente con el Observatorio Swift de Neil Gehrels, el observatorio espacial de la NASA dedicado al estudio de los estallidos de rayos gamma. A continuación, se determinó la ubicación exacta de los GRBs cortos captando el resplandor posterior a cada evento mediante telescopios de todo el mundo y del espacio. A continuación, se identificaron las galaxias anfitrionas y se estudiaron con fotometría y espectroscopia utilizando los telescopios Magellan, MMT y Keck.
El catálogo actual de las observaciones de las galaxias anfitrionas de GRBs cortos y las propiedades de la población estelar está disponible en bright.ciera.northwestern.edu, y los investigadores planean mantenerlo actualizado a medida que se obtengan nuevas detecciones.
"Nuestro extenso trabajo, y el catálogo de galaxias resultante, contribuirán en gran medida a los debates sobre los mejores métodos para rastrear e interpretar los eventos de fusión de estrellas de neutrones y sus entornos. Tras más de una década de trabajo, ahora tenemos la muestra más completa", concluye Fong.
- Short GRB Host Galaxies I: Photometric and Spectroscopic Catalogs, Host Associations, and Galactocentric Offsets
- Short GRB Host Galaxies II: A Legacy Sample of Redshifts, Stellar Population Properties, and Implications for their Neutron Star Merger Origins