Brote de rayos gamma para niños

Los brotes de rayos gamma (conocidos como GRB por sus siglas en inglés) son los destellos de energía más potentes que se han visto en el universo. Son explosiones gigantes de rayos gamma que ocurren en galaxias muy lejanas.

Estos brotes pueden durar desde un instante muy corto (nanosegundos) hasta varias horas. Sin embargo, la mayoría de los brotes típicos duran solo unos pocos segundos. Después del destello principal, a menudo queda un brillo más suave que dura más tiempo, visible en otras formas de radiación, como rayos X, luz visible o ondas de radio.

Se cree que muchos de estos brotes son como "haces de luz" muy concentrados y brillantes. Se producen cuando una estrella muy grande llega al final de su vida y explota en lo que llamamos una supernova. Hay otro tipo de brotes, los "cortos", que parecen venir de un proceso diferente, quizás cuando dos estrellas de neutrones chocan y se unen. Los brotes "largos" son los que duran más de dos segundos, mientras que los "cortos" duran menos.

Las fuentes de los brotes de rayos gamma están a miles de millones de años luz de la Tierra. Esto significa que las explosiones deben ser increíblemente poderosas. Un brote típico puede liberar tanta energía como el Sol en diez mil millones de años. Son eventos muy raros, ocurriendo quizás una vez cada millón de años en una galaxia. Todos los brotes que hemos visto vienen de fuera de nuestra Vía Láctea.

Los brotes de rayos gamma se descubrieron por primera vez en 1967. Fueron detectados por unos satélites llamados Vela, que estaban diseñados para buscar señales de explosiones muy potentes. Después de su descubrimiento, se propusieron muchas ideas para explicar qué eran. Pero no fue hasta 1997, cuando el satélite BeppoSAX detectó el brillo que quedaba después de un brote, que los científicos pudieron medir su distancia y la energía que liberaban. Esto confirmó que venían de galaxias muy lejanas y estaban relacionados con la muerte de estrellas gigantes.

Brillo visible de GRB 970508 observado un mes después del brote. Cuando la fusión nuclear no genera suficiente presión, la estrella colapsa para formar un agujero negro. La energía puede liberarse en la dirección del eje de rotación, formando un brote de rayos gamma.

¿Cómo se descubrieron los brotes de rayos gamma?

Los brotes de rayos gamma fueron detectados por primera vez a finales de los años 60. Los satélites Vela de un país, que estaban en el espacio para detectar explosiones muy potentes, los encontraron. El 2 de julio de 1967, dos de estos satélites, Vela 3 y Vela 4, detectaron un destello de rayos gamma que no se parecía a nada conocido.

Los científicos del Laboratorio Científico de Los Álamos, liderados por Ray Klebesadel, guardaron los datos para estudiarlos más tarde. Con el tiempo, se lanzaron más satélites Vela con mejores instrumentos. El equipo siguió encontrando estos brotes misteriosos. Al comparar el momento en que cada satélite detectaba un brote, pudieron calcular su ubicación aproximada en el cielo. Así, confirmaron que no venían del Sol ni de la Tierra. El descubrimiento se hizo público en 1973 en una revista científica.

Avances en la comprensión de los brotes

Al principio, había muchas teorías sobre el origen de estos brotes. Muchos pensaban que venían de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Pero en 1991, el Observatorio de rayos gamma Compton y su instrumento BATSE, un detector de rayos gamma muy sensible, cambiaron todo.

BATSE mostró que los brotes de rayos gamma estaban distribuidos de manera uniforme por todo el cielo. Esto significaba que no estaban concentrados en el plano de la Vía Láctea, como lo estarían si vinieran de nuestra galaxia. Esta prueba fue clave para entender que los brotes venían de mucho más allá de la Vía Láctea.

Durante décadas, los astrónomos buscaron un objeto visible que coincidiera con la posición de un brote. Buscaron enanas blancas, púlsares, supernovas y otras galaxias, pero no encontraron nada claro. Esto sugería que los brotes venían de estrellas muy débiles o de galaxias extremadamente lejanas.

El gran avance llegó en febrero de 1997. El satélite BeppoSAX detectó un brote de rayos gamma (GRB 970228) y, por primera vez, su cámara de rayos X detectó el brillo que quedaba después. Un telescopio en La Palma identificó un brillo óptico que también se desvaneció. Cuando el brote se apagó, las imágenes mostraron una galaxia débil y distante en la misma dirección.

Ilustración artística de la vida de una estrella masiva. Cuando la fusión nuclear no genera suficiente presión, la estrella colapsa rápidamente para formar un agujero negro. La energía puede liberarse a lo largo del eje de rotación, formando un estallido de rayos gamma.

Poco después, con el brote GRB 970508, los científicos pudieron hacer observaciones aún más rápidas. El análisis de la luz de este brote reveló que estaba a miles de millones de años luz de la Tierra. Esta fue la primera vez que se midió la distancia de un brote de rayos gamma. Esto confirmó que estos eventos ocurren en galaxias muy, muy lejanas.

En 1998, el brote GRB 980425 fue seguido por una supernova muy brillante (SN 1998bw). Esto mostró una conexión clara entre los brotes de rayos gamma y la muerte de estrellas muy grandes.

Misiones espaciales modernas

Aunque los satélites BeppoSAX y el Observatorio de Rayos Gamma Compton dejaron de funcionar, el interés en los brotes de rayos gamma creció. Se desarrollaron nuevas misiones espaciales para estudiarlos. La misión HETE-2, lanzada en 2000, hizo muchos descubrimientos.

Una de las misiones más exitosas es Swift, lanzada en 2004 y que sigue funcionando. Swift tiene un detector de rayos gamma muy sensible y telescopios de rayos X y ópticos. Estos instrumentos pueden girar rápidamente para observar el brillo que queda después de un brote.

En 2008, se lanzó la misión Fermi, que detecta cientos de brotes al año. Mientras tanto, en la Tierra, muchos telescopios ópticos fueron mejorados con tecnología robótica. Esto les permite apuntar rápidamente a los brotes de rayos gamma, a menudo en segundos, mientras el destello principal aún está ocurriendo.

Los avances en el siglo XXI han incluido el reconocimiento de los brotes de rayos gamma cortos como una clase diferente. También se descubrió que muchos brotes tienen una actividad extraña y en forma de destellos en rayos X que dura varios minutos. Además, se han encontrado los objetos más brillantes (GRB 080319B) y los más distantes (GRB 090423) en el universo.

¿Cómo se clasifican los brotes de rayos gamma?

Aunque las explosiones en el espacio suelen tener un comportamiento simple (un brillo repentino seguido de una disminución gradual), los brotes de rayos gamma son muy diversos. No hay dos brotes iguales. La duración puede variar desde milisegundos hasta decenas de minutos. Algunos tienen un solo pico de brillo, otros tienen varios.

Se han propuesto muchos sistemas para clasificarlos. Sin embargo, la forma más común de clasificarlos es por su duración. Si observamos la duración de muchos brotes, vemos que se agrupan en dos categorías principales:

• Una población de brotes "cortos" que duran en promedio 0.3 segundos.
• Una población de brotes "largos" que duran en promedio 30 segundos.

Aunque hay una zona donde se superponen, esta división sugiere que hay dos tipos diferentes de eventos que los causan.

Brotes de rayos gamma largos

La mayoría de los brotes duran más de dos segundos y se clasifican como brotes de rayos gamma largos. Como son los más comunes y suelen tener los brillos más intensos después del destello, se han estudiado más. Casi todos los brotes largos bien estudiados se han relacionado con galaxias donde se forman estrellas muy rápido y, en muchos casos, con supernovas de tipo II. Esto confirma que los brotes largos están relacionados con la muerte de estrellas muy grandes.

Brotes de rayos gamma cortos

Los brotes que duran menos de dos segundos se clasifican como brotes de rayos gamma cortos. Durante mucho tiempo, no se sabía mucho sobre su origen. Pero desde 2005, se han localizado muchos de estos brotes en lugares donde no hay mucha formación de estrellas, como en galaxias elípticas grandes. Esto sugiere que no están relacionados con la muerte de estrellas masivas. La teoría más aceptada es que los brotes cortos se producen cuando dos estrellas de neutrones chocan y se fusionan.

¿Cuánta energía y radiación liberan?

Ilustración artística de un brote de rayos gamma brillante en una región de formación estelar. La energía de la explosión se proyecta en dos chorros estrechos en direcciones opuestas.

Los brotes de rayos gamma son increíblemente brillantes, incluso vistos desde la Tierra, a pesar de las enormes distancias. Un brote largo normal puede ser tan brillante como una estrella muy luminosa de nuestra galaxia, aunque esté a miles de millones de años luz. La mayor parte de esta energía se libera como rayos gamma.

Por ejemplo, el brote GRB 080319B fue tan brillante que su luz visible alcanzó una magnitud aparente de 5.8. Esto significa que era casi tan brillante como las estrellas más débiles que podemos ver a simple vista, ¡a pesar de estar a 7.500 millones de años luz! Esta combinación de brillo y distancia requiere una fuente de energía extrema. Si la explosión fuera esférica, la energía liberada por GRB 080319B sería casi igual a la energía que se obtendría si el Sol se convirtiera completamente en radiación.

Ningún proceso conocido en el universo puede producir tanta energía en tan poco tiempo. Sin embargo, se cree que los brotes de rayos gamma son explosiones muy direccionales. La mayor parte de la energía se concentra en chorros estrechos que viajan a velocidades cercanas a la de la luz (más del 99.995% de la velocidad de la luz).

Como la energía se emite de forma tan direccional, la mayoría de los brotes de rayos gamma no apuntan hacia la Tierra y no los detectamos. Pero cuando uno sí apunta hacia nosotros, la concentración de energía en un haz estrecho hace que parezca mucho más brillante. Cuando se considera este efecto, se calcula que los brotes de rayos gamma liberan una energía comparable a la de una supernova de tipo Ib/c (a veces llamada hipernova). Se han observado supernovas muy brillantes acompañando a varios de los brotes de rayos gamma más cercanos.

Los brotes de rayos gamma cortos parecen venir de lugares más cercanos y son menos brillantes que los largos. No se sabe con exactitud cuán direccionales son los brotes cortos, pero es posible que no sean tan concentrados como los largos.

¿De dónde vienen los brotes de rayos gamma?

Es muy difícil identificar los sistemas que producen estas explosiones, ya que la mayoría de las fuentes de brotes de rayos gamma están a distancias inmensas de la Tierra. La relación de algunos brotes largos con supernovas y el hecho de que sus galaxias anfitrionas formen estrellas muy rápidamente, sugieren que los brotes de rayos gamma están relacionados con estrellas muy grandes.

El modelo más aceptado para los brotes largos es el del "colapso". En este modelo, el centro de una estrella extremadamente grande, que gira muy rápido, se colapsa para formar un agujero negro al final de su vida. La materia cercana al centro de la estrella cae hacia el agujero negro, formando un disco muy denso. Esta materia que cae genera dos chorros de energía muy potentes que salen disparados en la dirección del eje de rotación de la estrella. Estos chorros atraviesan la estrella y se irradian como rayos gamma.

Las estrellas de nuestra galaxia que más se parecen a las que producen brotes de rayos gamma largos son las estrellas de Wolf-Rayet. Son estrellas masivas y muy calientes que han perdido casi todo su hidrógeno.

El modelo del colapso de una estrella masiva probablemente no explica todos los tipos de brotes de rayos gamma. Hay pruebas sólidas de que algunos brotes cortos ocurren en sistemas donde no hay estrellas masivas, como en el halo galáctico o el espacio intergaláctico. La teoría más aceptada para la mayoría de los brotes cortos es la fusión de dos estrellas de neutrones en un sistema binario. En este modelo, las dos estrellas giran una alrededor de la otra, acercándose lentamente debido a la liberación de ondas gravitacionales. Finalmente, las estrellas de neutrones se rompen y colapsan en un agujero negro. La materia que cae en el agujero negro forma un disco que produce una explosión, similar a la del modelo del colapso.

¿Cómo se producen los rayos gamma?

Todavía no se sabe con exactitud cómo los brotes de rayos gamma transforman la energía en radiación. Es un gran desafío explicar cómo algunos brotes pueden convertir hasta la mitad de la energía de la explosión en rayos gamma.

Se entiende mejor cómo se produce el brillo que queda después de los brotes (la "postluminiscencia"), que se observa en rayos X y ondas de radio. Toda la energía que no se irradia en el brote principal se expande a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando esta materia choca con el gas interestelar, crea una onda de choque que se propaga. Los electrones muy energéticos dentro de esta onda de choque son acelerados por campos magnéticos y emiten radiación en la mayor parte del espectro electromagnético. Este modelo ha logrado explicar el comportamiento de muchas postluminiscencias observadas horas o días después de la explosión.

¿Con qué frecuencia ocurren y qué impacto tienen en la vida?

Los satélites detectan un promedio de un brote de rayos gamma al día. Como estos brotes son visibles a distancias que abarcan la mayor parte del universo observable (miles de millones de galaxias), esto significa que son eventos extremadamente raros en cada galaxia. Para una galaxia como la Vía Láctea, se estima que un brote largo ocurre aproximadamente una vez cada 100.000 a 1.000.000 de años. Solo un pequeño porcentaje de estos brotes apuntaría hacia la Tierra.

Si un brote de rayos gamma en la Vía Láctea estuviera lo suficientemente cerca de la Tierra y apuntara en nuestra dirección, podría tener efectos importantes en la biosfera (la parte de la Tierra donde hay vida). La radiación sería absorbida por la atmósfera y podría destruir parte de la capa de ozono. Esto permitiría que más radiación ultravioleta del Sol llegara a la Tierra, lo que podría afectar gravemente la cadena alimentaria y causar una extinción masiva. Los científicos estiman que un evento así podría ocurrir cada mil millones de años. Se ha propuesto que algunas extinciones masivas del Ordovícico-Silúrico pudieron ser causadas por uno de estos brotes.

Hay indicios de que los brotes de rayos gamma largos ocurren principalmente en regiones con baja "metalicidad" (poca cantidad de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio). Como la Vía Láctea ha tenido una alta metalicidad desde antes de que se formara la Tierra, esto podría reducir la posibilidad de que un brote de rayos gamma largo ocurra en nuestra galaxia en los últimos mil millones de años. Sin embargo, no se conoce una relación similar para los brotes de rayos gamma cortos. Por lo tanto, la posibilidad de que un evento cercano pueda tener un gran impacto en la Tierra en algún momento de su historia geológica aún podría ser significativa.

Galería de imágenes

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  Imagen del satélite BATSE mostrando las posiciones en el cielo donde se han detectado brotes de rayos gamma. La distribución es uniforme, sin concentración hacia el plano de la Vía Láctea.

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  La explosión GRB 080319B fotografiada por el telescopio Swift.

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  Imagen del telescopio espacial Hubble de la estrella de Wolf-Rayet WR 124 y la nebulosa que la rodea. Se cree que las estrellas de Wolf-Rayet pueden ser progenitoras de los brotes de rayos gamma de larga duración.

Véase también

En inglés: Gamma-ray burst Facts for Kids

• Astronomía de rayos gamma
• Evolución estelar
• Observatorios de rayos gamma

Fuentes

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