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Destellos de rayos gamma. Una historia de detectives astronómicos… Morelia, Michoacán Junio 2010. Laurent Loinard y Luis F. Rodríguez Centro de Radioastronomía y Astrofísica de Morelia Universidad Nacional Autónoma de México.

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Destellos de rayos gamma

Una historia de detectives astronómicos…

Morelia, Michoacán

Junio 2010

Laurent Loinard y Luis F. Rodríguez Centro de Radioastronomía y Astrofísica de Morelia Universidad Nacional Autónoma de México

Información complementaria:

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/jbonnell/www/grbhist.html

http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l2/history_gamma.html

http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/bursts.html

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/diamond_jubilee/debate95.html

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Destellos de rayos gamma

  • Plan de la plática:
  • Introducción
  • Historia del descubrimiento
  • Propiedades
  • Origen, procesos de formación
  • Especificidad e interés astronómico
  • Futuro
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¿Qué son los destellos de rayos gamma?

  • eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos)
  • emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma)

Black body temperature (K)

3 10-5

0.3

300

6 103

3 106

3 108

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¿Qué son los destellos de rayos gamma?

  • eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos)
  • emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma)
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¿Qué son los destellos de rayos gamma?

  • eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos)
  • emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma)

Morfología de nuestra galaxia:

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¿Qué son los destellos de rayos gamma?

  • eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos)
  • emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma)
  • muy intensos (pueden ser tan brillantes como el resto del cielo gamma!)
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Producción de rayos gamma en la naturaleza: fenómenos muy energéticos, como…

Las bombas atómicas empezaron a construirse en los años 1940 y 1950 (Los Álamos, etc.); durante esos años, las pruebas se hacían al aire libre (en el desierto de Arizona, la isla de Bikini, etc.)

Al final de los años 1950 y el inicio de los años 1960, los peligros de la radioactividad para la salud empezaron a conocerse; en 1963 se firmó el primer tratado limitado de prohibición de pruebas atómicas (Partial Test Ban Treaty) en el atmósfera, bajo el agua, y en el espacio.

De inmediato (en octubre del 1963), el ejército norteamericano (US Air Force) inició un programa para verificar que la Unión Soviética cumpliera con este tratado.

El programa consistía en una serie de satélites llamados VELA (del español velar, vigilar) equipados con detectores de rayos X, rayos gamma y neutrones. Los satélites eran enviados en pares, en órbita exactamente opuesta (para no dejar ninguna parte de la Tierra invisible), con un diámetro de 250,000 km (período de más o menos 4 días).

Seis series de satélites (VELA1 a VELA6) fueron enviados, con niveles de sofisticación cada vez más altos. A partir de VELA4, la resolución temporal de los instrumentos era suficiente para estimar la dirección de origen de la emisión usando métodos de triangulación (diferencia de tiempo entre la detección en los dos satélites).

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Producción de rayos gamma en la naturaleza: fenómenos muy energéticos, como…

Las bombas atómicas empezaron a construirse en los años 1940 y 1950 (Los Álamos, etc.); y durante esos años, las pruebas se hacían al aire libre (en el desierto de Arizona, la isla de Bikini, etc.)

Al final de los años 1950 y el inicio de los años 1960, los peligros de la radioactividad para la salud empezaron a conocerse; en 1963 se firmó el primer tratado limitado de prohibición de pruebas atómicas (Partial Test Ban Treaty) en el atmósfera, bajo el agua y en el espacio.

De inmediato (en octubre del 1963), el ejército norteamericano (US Air Force) inició un programa para verificar que la Unión Soviética cumpliera con este tratado.

El programa consistía en una serie de satélites llamados VELA (del español velar, vigilar) equipados con detectores de rayos X, rayos gamma y neutrones. Los satélites eran enviados en pares, en órbita exactamente opuesta (para no dejar ninguna parte de la Tierra invisible), con una diámetro de 250,000 km (período de más o menos 4 días).

más tarde

más temprano

más temprano

Seis series de satélites (VELA1 a VELA6) fueron enviados, con niveles de sofisticación cada vez más altos. A partir de VELA4, la resolución temporal de los instrumentos era suficiente para estimar la dirección de origen de la emisión usando métodos de triangulación (diferencia de tiempo entre la detección en los dos satélites).

más tarde

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Primeras detecciones de brotes de rayos gamma

Hasta 1967, los satélites VELA no registraron ningún evento (afortunadamente para la humanidad). A partir de 1967, con el aumento de la sensitividad de los detectores X y gamma, empezó a haber detecciones de emisión gamma.

Sin embargo, estas emisiones no tenían las características esperadas de explosiones nucleares en la Tierra. Por ejemplo, la emisión esperada de una explosión de bomba atómica tiene la mayor parte de su energía en los rayos X, mientras que las emisiones detectadas por las misiones VELA parecían tener su pico en los rayos gamma. Además, en la mayoría de los casos, el mismo brote se detectaba con los dos satélites (no podían venir de la Tierra)…

En parte porque no era lo que buscaban, en parte por razones de seguridad nacional, y en parte porque no entendían bien de lo que se trataba, los científicos del ejército norteamericano no hicieron mucho sobre estas emisiones de rayos gamma, y no anunciaron su descubrimiento al resto del mundo hasta mucho después. Hasta 1972, solamente archivaban todos los eventos con sus características para verlos después.

Con el lanzamiento al espacio de VELA5 (1969), que tenía la resolución temporal suficiente para estimar la dirección de origen de las emisiones, se confirmó que no venían de la Tierra. También se supo que no venían del Sol, ni del Sistema Solar, porque no había una concentración de brotes en el plano de la eclíptica (donde están la Tierra y los otros planetas).

Finalmente, en 1973 -6 años después de la primera detección-, Ray Klebesadel (responsable del programa VELA en Los Álamos) y sus colegas Ian Strong y Roy Olsen publicaron en el Astrophysical Journal la lista de los 16 brotes que se había detectado hasta entonces con las misiones VELA5 y VELA6 (con una estimación de posición).

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Primeras detecciones de destellos de rayos gamma

Pero entonces ¿cuál es el orígen de los destellos de rayos gamma?

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Rapidamente, dos teorias se impusieron

  • Claramente, se requeria un proceso muy energetico para producir los rayos gammas observados. Los dos fenomenos que podian generar una cantidad de energia suficiente eran:
  • Las gigantescas explosiones, conocidas como supernovas, que ocurren al final de la vida de las estrellas muy masivas.
  • Colisiones violentas entre objetos muy compactos como estrellas de neutrones o agujeros negros.

¿Cual de estas dos teorias es correcta?

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Predicciones de las dos teorias…

Hay muy pocas estrellas muy masivas en nuestra Galaxia, mientras que hay muchas estrellas de neutrones. En consecuencia, si el origen de los destellos de rayos gamma esta relacionado con supernovas, deberian de estas asociados principalmente con galaxias externas, y como estas estan distribuidas en todo el universo, deberia haber destellos de rayos gammas en todas partes del cielo.

Por otro lado, si los destellos estan asociados a estrellas de neutrones en nuestra Galaxia, deberia de concentrarse en el plano de la Galaxia:

Supernovas (hipernovas)

Sistemas binarios compactos

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BATSE/GRO

Solución del dilema: tener un instrumento capaz de medir relativamente bien la posición de unos miles de brotes de rayos gamma…

En 1991, NASA lanzó el satélite GRO (Gamma Ray Observatory), equipado con varios instrumentos.

Uno de estos instrumentos (BATSE, por Burst And Transient Source Experiment) estaba diseñado precisamente para la detección de brotes de rayos gamma y su localización en el cielo.

BATSE inmediatamente empezó a detectar brotes de rayos gamma. En 1 año, aproximadamente 250 brotes habían sido detectados. Su distribución en el cielo era:

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BATSE/GRO

Solución del dilema: tener un instrumento capaz de medir relativamente bien la posición de unos miles de brotes de rayos gamma…

En 1991, NASA lanzo el satelite GRO (Gamma Ray Observatory), equipado con varios instrumentos.

Uno de estos instrumentos (BATSE, por Burst And Transient Source Experiment) estaba diseñado precisamente para la detección de brotes de rayos gamma y su localización en el cielo.

BATSE inmediatamente empezó a detectar brotes de rayos gamma. En 1 año, aproximadamente 250 brotes habían sido detectados. Su distribución en el cielo era:

Después de 8 años (y 2,500 detecciones), la situación era aun más clara:

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La respuesta a la pregunta:

Brotes extragalácticos

Brotes galácticos

¿

ó

?

es

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Otro pregunta: ¿pero dónde están realmente?...

Por razones técnicas, es muy difícil obtener una resolución angular muy buena a muy alta frecuencia. La resolución de BATSE era de más o menos 5 grados. ¡Es enormemente mala!

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Nuevo satélite: BEPPOSAX...

1997

Estrategia:

Detectar los brotes con el instrumento de rayos gamma.

Observarlos con cámaras X de mejor resolución para determinar su posición con suficiente precisión.

Buscar el objeto responsable en el óptico, donde la resolución y la sensitividad son mucho mejores.

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El famosísimo evento GRB970228

1997

Se ha observado más brotes de rayos gamma que los dioses que hay en cualquier mitología, así que no se les da nombres sino números. GRB970228 = Gamma Ray Burst del 28 de febrero de 1997.

GRB970228 fue visto por un grupo de científicos italianos y holandeses que monitoreaban los datos del satélite BEPPOSAX desde Roma, el 28 de febrero del 1997 a las 5:00 de la mañana, simultáneamente con el detector de rayos gamma y la cámara X de gran apertura.

La resolución de esta cámara X era mejor que el campo de visión de otra cámara X, con mucho mejor resolución, también a bordo de BEPPOSAX. Reprogramaron inmediatamente al BEPPOSAX para observar GRB970228 con dicha cámara de alta resolución angular. 8 horas después del brote, se obtuvo su posición con una precisión de 0.5 minutos de arco (500 veces mejor que la precisión de BATSE). Era, por mucho, la mejor posición nunca obtenida para un brote de rayos gamma.

Con una posición tan precisa, el equipo de investigación llamó a colegas en las Canarias (España), donde observaron (solamente 21 horas después del brote) en el óptico. Vieron una fuente poderosa, puntual y nunca antes vista. Por primera vez, se había detectado la contraparte óptica de un brote de rayos gamma…

Observaron la misma posición otra vez una semana después, y la fuente había desaparecido…

Unas semanas más tarde, entre mediados de marzo y mediados de abril, otros telescopios, particularmente el Telescopio Espacial Hubble, observaron en la misma dirección. Encontraron todavía una fuente puntual que disminuía en intensidad con el tiempo y tambien una fuente débil extendida, casi seguramente una galaxia lejana…

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El otro famosísimo evento: GRB971214

1997

Otros brotes fueron estudiados de la misma manera. El siguiente más importante fue GRB971214.

La misma técnica se aplicó para encontrar e identificar la contraparte óptica. Pero en este caso, también se pudo obtener un espectro de la emisión extendida (galaxia) alrededor de la posición del brote. El espectro es muy importante, porque permite determinar la distancia al objeto usando el efecto Doppler.

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El otro famosísimo evento: GRB971214

1997

Otros brotes fueron estudiados de la misma manera. El siguiente más importante fue GRB971214.

La misma técnica se aplicó para encontrar e identificar la contraparte óptica. Pero en este caso, también se pudo obtener un espectro de la emisión extendida (galaxia) alrededor de la posición del brote. El espectro es muy importante, porque permite determinar la distancia al objeto usando el efecto Doppler.

Obtuvieron…

…una distancia de 12 mil millones de años luz. Cuando explotó el brote, el universo tenía solamente 2 mil millones de años, 7 veces menos que hoy…

No solamente los brotes de rayos gamma son eventos afuera de nuestra galaxia, algunos vienen de las galaxias más lejanas.

Tienen que ser explosiones ¡¡tremendísimas!!

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Aspecto energético…

Los instrumentos a bordo de satélites (o conectados a telescopios terrestres) miden flujos, es decir la cantidad de energía que entra en cada cm2 de detector.

Si son objetos fuera de la Vía Láctea, los destellos de rayos gamma tienen que ser brillantísimos..

¡¡¡Tienen que ser los objetos (conocidos) más brillantes de todo el universo!!!

c

No son supernovas, son hipernovas…

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Una supernova extraña asociada con un brote de rayos gamma… SN 1998bw/GRB 980425

Detectada con BEPPOSAX como un brote de rayos gamma.

Independientemente, desde la Tierra como una supernova...

Antes

Después

Pero una supernova extraña...

Bastante más poderosa que las supernovas ¨normales¨...

Con emisión radio fortísima que sólo se puede explicar como un chorro (jet) relativista

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Efecto del enfocamiento sobre la energía de los brotes…

Antes

de la corrección de enfocamiento

(isotrópico)

Después

de la corrección de enfocamiento

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Conclusion…

Los brotes de rayos gamma son explosiones de supernovas enfocadas.

Precisamente por ser enfocadas, son muy brillantes, y se pueden detectar hasta distancias enormes.

Entonces, ya lo sabemos todo?

Afortnadamente, NO!!

dos tipos de destellos
Dos tipos de destellos

Todo lo que hemos visto era para los brotes largos. Que hay de los cortos?

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SWIFT (lanzado en 2004)

¿Por qué perder tiempo en alertar a los telescopios ópticos en la Tierra y no poner un telescopio óptico directamente en el mismo satélite que tiene los detectores gamma y X?

¡SWIFT tiene los tres!

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Gracias a Swift, ya se han detectado los objetos huesped de algunos destellos de rayos gamma cortos. Estos objetos tienden a ser galaxias o cumulos de galaxias sin estrellas masivas. En consecuencia, parece bastante seguro que estos destellos cortos NO estan relacionados con explosiones de supernovas, y que pertenecen a otra clase de eventos.

Se piensa que estos destellos cortos podrian ocurir en colisiones de estrellas de neutrones, pero mas datos an a ser necesarios para asegurarnos de que estos es cierto.

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Queda mucho por hacer, y se buscan detectives astutos para seguir avanzando…

Muchas gracias por su atencion.