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8 de Enero de 2020
Astrofísica

No todas las explosiones rápidas de radio se crean igual

Las señales astronómicas llamadas explosiones rápidas de radio siguen siendo enigmáticas, pero se ha logrado ahora un descubrimiento clave. Por segunda vez se ha encontrado la galaxia donde se originó una explosión rápida de radio repetitiva; sin embargo, guarda poco parecido con la primera.

La red radiotelescópica SKAP, descubridora de explosiones rápidas de radio [CSIRO].

Los destellos extragalácticos de radio de una duración de unos milisegundos, las llamadas explosiones rápidas de radio (FRB, su acrónimo en inglés), presentan rasgos singulares que recuerdan mucho a misterios del pasado, como lo fueron los cuásares y las explosiones de rayos gamma. Como las FRB, estos fenómenos parecen distribuirse uniformemente por el cielo, pero con una luminosidad casi imposible si se trata de fenómenos de origen cosmológico. Al final, se supo que los cuásares están asociados a los agujeros negros supermasivos y que las explosiones de rayos gamma lo están a la formación de agujeros negros tras algunas supernovas (estallidos de estrellas) o a la fusión entre sí de los restos estelares conocidos como estrellas de neutrones. Las FRB repetitivas ofrecen la oportunidad de identificar los lugares donde se originan y cuáles pueden ser los posibles progenitores. La primera FRN repetitiva conocida fue localizada en una región donde se forman estrellas en una galaxia diminuta y pobre en metales (en el sentido astrofísico de la palabra: pobre en los elementos que no son primigenios, sino que se forman en las estrellas). Ahora, B. Marcote y sus colaboradores presentan en Nature el hogar de una segunda explosión repetitiva y resulta que es muy diferente al primero que se encontró.

A medida que la radiación de la FRB atraviesa el ionizado medio intergaláctico, sus ondas de radio interaccionan con los electrones libres y se frenan. Las ondas de alta frecuencia están menos afectadas que las de frecuencia menor, de modo que llegan al detector un poco antes que estas. Esta diferencia temporal es proporcional al número total de electrones entre la fuente de la FRB y el detector, así que vale para calcular la enorme distancia a la fuente. Las primeras detecciones de FRB no pudieron identificar inequívocamente una galaxia que albergase la fuente de la FRB, ya que su resolución localizadora abarcaba cientos o miles de posibles galaxias hospedadoras. Pero ahora radiotelescopios con múltiples elementos, como el Detector de Trayectorias por la Red Australiana del Kilómetro Cuadrado (ASKAP) y la Red Sinóptica Profunda (DSA-10), en California, tienen resolución suficiente para identificar con facilidad las galaxias hospedadoras.

Al mismo tiempo, el radiotelescopio denominado Experimento Canadiense de Cartografiado de la Intensidad del Hidrógeno (CHIME) está descubriendo que muchas FRB se repiten. Los brotes de una FRB repetitiva tienden a agruparse en el tiempo, lo que significa que la probabilidad de captar uno es mayor cuando la fuente está activa. Como CHIME rastrea el cielo cada día, está en una posición ideal para lanzar a otros telescopios a efectuar localizaciones. Marcote y sus colaboradores captaron cuatro brotes de una de las FRB repetitivas descubiertas por CHIME y usaron esas observaciones para determinar la localización precisa de la fuente en una galaxia cercana. Está unas doscientas veces más lejos de la Tierra que nuestra vecina más cercana, la galaxia de Andrómeda.

El círculo rojo indica la localización de la fuente de una FRB repetitiva; al contrario que la anterior localización de la fuente de una FRB repetitiva, esta se encuentra en una galaxia espiral bastante corriente y grande. La imagen se ha tomado en luz óptica; se incluye una ampliación de mayor resolución de la región de interés de la galaxia [Marcote et al., <em>Nature</em>].

La primera FRB repetitiva conocida difiere en al menos tres aspectos de las FRB no repetitivas. En primer lugar, mostraba unos peculiares cambios de intensidad en función de la frecuencia y el tiempo; recordaban las intensas emisiones de radio del Sol llamadas explosiones solares de radio. En segundo, la radiación atravesaba un plasma muy magnetizado que rotaba su polarización en función de la frecuencia. Y en tercero, emitía cerca de un agujero negro supermasivo. Aunque resulta más difícil estudiar las FRB no repetitivas que las repetitivas, se sabe que a veces tienen unos perfiles temporales complicados, multicomponentes, parecidos a las emisiones de los magnetares (estrellas de neutrones muy magnetizadas).

¿Puede ocurrir que las FRB repetitivas y no repetitivas sean como las explosiones de rayos gamma de corta y larga duración, dos clases diferentes de fenómenos cuya emisión, casualmente, tiene una escala temporal y una luminosidad parecidas? ¿O hay alguna teoría de las FRB que ligue las dos clases? La mayoría de las teorías sobre las FRB se basan en la intervención de un objeto astronómico compacto y ligan las emisiones a campos magnéticos potentísimos o a estrellas de neutrones que rotan muy deprisa (y por lo tanto muy energéticas). Algunos científicos, desesperados por dar con una explicación, hasta han propuesto que se trata de emisiones de extraterrestes.

Es posible concebir un modelo en el que las fuentes de FRB tengan un reservorio de energía (sea magnética, cinética o gravitacional) henchido cuando la fuente está cerca de una región formadora de estrellas, y en el que eso crea brotes frecuentes. A medida que ese reservorio se agote, los brotes se irán espaciando en el tiempo hasta que cesen por completo. Este comportamiento sería semejante a los cambios súbitos en la frecuencia de rotación sobre su eje de un tipo de estrellas de neutrones llamadas púlsares. Los púlsares jóvenes suelen experimentarlos a menudo, mientras que los viejos pueden tirarse décadas enteras sin sufrir ninguno. Las FRB con repeticiones frecuentes serían más fáciles de encontrar que las que repiten menos a menudo, pero verificar que son repetitivas iría siendo más difícil cuando la escala temporal de la repetición se acercase a la duración de los experimentos que observan FRB (hoy en día, unos años).

La primer explosión repetitiva que se conoció parecía encajar en ese modelo. Quizá fuese un magnetar joven que emitía desde una localización más bien exótica: cerca de un agujero negro supermasivo en una región de formación de estrellas en una pequeña galaxia pobre en metales. Un ambiente así es muy diferente al de la mayoría de las estrellas de neutrones jóvenes de nuestra galaxia. Sin embargo, Marcote y sus colaboradores han hallado que la fuente de su FRB repetitiva no es particularmente magnética, no está cerca en absoluto de un agujero negro supermasivo y se encuentra en una galaxia bastante normal. Eso así, la fuente está cerca de una curiosa región de estrellas que tiene forma de V, lo que no hace sino aumentar el misterio del origen de las FRB.

El año pasado, ASKAP localizó varias FRB no repetitivas: pertenecían a galaxias muy variadas entre sí. Lo bueno de los resultados de ASKAP y de los de Marcote y sus colaboradores está en la precisión y la fiabilidad de las localizaciones. No están al alcance de telescopios más compactos, como el DSA-10, que solo puede indicar la identidad de la galaxia pertinente (la ciudad, digamos, donde reside la FRB) pero no precisar cómo es el entorno exacto dentro de ella (las señas de la FRB).

Al final, se descubrirá, para cada clase de FRB, que, o bien esas señales se producen cerca de sitios activos de formación de estrellas, o bien no hay una correlación particular. Si se originan cerca de los sitios de supernovas, será probable que las FRB surjan de estrellas jóvenes, muy magnéticas. Si sus orígenes están lejos de esos sitios, quizá los produzcan bombas temporales de energía gravitatoria (estrellas de neutrones que se fusionan, por ejemplo) y tendrán distribuciones espaciales diversas, parecidas a las de las explosiones de rayos gamma de corta duración, de las que se sabe ahora que están asociadas a la fusión de estrellas de neutrones entre sí.

Es curioso que todavía no podamos descartar por completo, ya que la luminosidad de un cuásar no es muy diferente del pico de luminosidad de las FRB, que en estas participen los agujeros negros supermasivos. Pero los resultados de Marcote y sus colaboradores van en contra de esta posibilidad, y es más probable que las escalas de tiempo de la variabilidad de los cuásares sea de días o meses que de milisegundos.

Es muy probable que se incremente la velocidad a la que se descubren FRB y las galaxias que las albergan a medida que entran en funcionamiento más detectores. Son de esperar los resultados de CHIME, e instalaciones como el radiotelescopio MeerKAT, en Sudáfrica, y el Radiotelescopio Esférico de Cinco Metros de Apertura (FAST), en China, van a empezar a funcionar pronto. No debe sorprender que haya más de una forma de generar FRB, sin necesidad de extraterrestres.

Matthew Bailes / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «A repeating fast radio burst source localized to a nearby spiral galaxy», de B. Marcote et al. en Nature (2020).

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