Esclat de raigs gamma

De Viquipèdia

Problema no resolt en Física: Quin és l'origen dels misteriosos esclats de raigs gamma?

En astrofísica es coneix com esclat de raigs gamma, explosió de raigs gamma o simplement GRB (de l'anglès gamma-ray burst) una font intensa i breu de raigs gamma. Es tracta del fenomen físic més lluminós i intens de l'univers, que produeix una gran quantitat d'energia en feixos breus de raigs gamma que poden durar des d'uns segons fins a unes poques hores. Els més llargs són seguits per una radiació romanent, més feble, en raigs X, coneguda en termes tècnics com afterglow. Els esclats de raigs gamma ocorren en posicions aleatòries en el cel sense poder-se predir la seva aparició. Les diferents teories sobre el seu origen requereixen fenòmens molt violents com explosions de supernoves. Degut al fet que la radiació gamma no travessa l'atmosfera terrestre aquests fenòmens solament poden detectar-se des de l'espai, si bé l'afterglow pot ser observat amb telescopis terrestres.

Els esclats de raigs gamma còsmics van ser descoberts a la fi de la dècada de 1960 per la sèrie de satèl·lits nordamericans Vela la missió dels quals era la detecció d'explosions i proves nuclears realitzades per la Unió Soviètica. Els satèl·lits Vela van detectar unes explosions ocasionals de raigs gamma d'origen desconegut. Encara que les dades recollides pels Vela eren de molt baixa resolució angular, el 1973 investigadors en el Laboratori Nacional de Los Álamos a Nou Mèxic van ser capaços de determinar que aquests esclats procedien de l'espai i no de proves realitzats a terra.

[edita] Possibles explicacions

Afterglow òptic de l'esclat de raigs gamma GRB-990123 del 23 de gener de 1999. L'objecte sobre el GRB és la galàxia on s'ha originat, que sembla estar en procés de col·lisió amb una altra galàxia.
Imatge de l'espectrògraf d'imatges STIS del Telescopi Espacial Hubble.

La combinació entre la lluminositat observada i la distància dels primers esdeveniments descoberts com GRB 990123 van conduir a proposar dos tipus de teories sobre aquests esdeveniments astrofísics.

Si la radiació gamma s'emet de manera isòtropa en totes les direccions de l'espai, la quantitat d'energia produïda per l'explosió seria equivalent a la conversió en energia de la massa completa d'una estrella de 1,3 vegades la massa del Sol, convertida tota ella en radiació gamma. En les longituds d'ona visibles una explosió semblant dintre de la nostra pròpia galàxia i a una distància d'uns 2.000 anys llum seria visible des de la Terra amb una lluentor dues vegades superior a la del Sol.
La segona possibilitat és que els esclats gamma no es produeixen en totes les direccions de l'espai sinó que tan sols s'emetin en una regió estreta, en forma de doll de partícules. Aquesta explicació alternativa també implicaria grans quantitats d'energia però en aquest cas de l'ordre de l'alliberada en les explosions de supernoves i requeriria unes condicions físiques menys extremes.

En ambdós casos els astrofísics havien de trobar un mecanisme convicent capaç de produir les enormes quantitats d'energia requerides. Una possibilitat consistiria en la col·lisió d'objectes massius, com estrelles de neutrons o entre una estrella de neutrons i un forat negre. Una altra proposta era que els esclats es podrien produir en les explosions de supernoves d'estrelles molt grans, conegudes com «hipernoves».

Les observacions del Hubble mostraren que GRB 990123 estava associat a una galàxia jove. Les col·lisions d'estrelles massives en una galàxia d'aquest tipus no es consideren molt probables, ja que la densitat requerida d'estrelles mortes resultaria inconsistent amb l'edat de la galàxia. D'altra banda, les supernoves ocorren amb major freqüència en galàxies joves amb abundant formació estel·lar, atès que les estrelles més massives que acaben les seves vides com supernoves tenen temps de vida comparativament curts.

El model de supernoves tenia problemes per explicar la gran quantitat d'energia emesa. El problema podia solucionar-se en part si els esclats gamma s'emetessin de forma fortament direccional, en dolls d'ejecció com els que es troben en algunes estrelles i galàxies durant successos violents. Una altra explicació suggerida per a la lluminositat dels esclats era que la llum podria ser enfocada per un fenomen de lent gravitacional originat per una galàxia massiva entre la Terra i la font de l'esclat. Els astrofísics Bohdan Paczynski de la Universitat de Princeton i Stan Woosley de la Universitat de Califòrnia a Santa Cruz, van suggerir independenment que els GRB podrien produir-se durant el col·lapse explosiu d'una estrella massiva en un forat negre, amb l'energia enfocada en dolls d'ejecció.

[edita] Últims resultats

La tardor de 2001 es va publicar l'anàlisi dels afterglows de 17 GRB, imposant uns límits a l'amplària angular dels dolls de tan sols uns pocs graus. La quantitat d'energia emesa en aquests GRB seria d'uns 10⁴⁴ J, comparables amb l'energia alliberada per una explosió de supernova lleugerament més intensa que la mitjana. Si els GRB es produeixen en dolls tan estrets potser només un entre 500 esclats es pot veure des de la Terra. En aquest cas es tractaria de fenòmens molt comuns a l'univers i els astrònoms podrien potser observar afterglows orfes exactament com els produïts pels GRB però no associats a un GRB específic. La durada dels esclats observats sembla indicar l'existència d'esclats de major durada i de més curts. Actualment el model d'hipernoves sembla el més prometedor per als GRB més llargs, amb l'energia produïda en el col·lapse enfocada en dolls d'ejecció paral·lels a l'eix de rotació de l'estrella. Els GRB més curts semblen ajustar-se millor al model de col·lisió d'estrelles de neutrons.

En l'actualitat existeixen satèl·lits específics per a la localització d'eclats de raigs gamma. En particular el US High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2), posat en òrbita el 9 d'octubre del 2000, ha demostrat ser una eina de gran utilitat. Altres observatoris espacials com l'Observatori de raigs X Chandra permeten obtenir detalls de l'emissió d'alta energia posterior al GRB principal. El Swift Gamma Ray Burst Explorer és un satèl·lit més avançat, en funcionament des d'abril de 2005. El 5 de maig de 2005 va detectar i va seguir un esdeveniment GRB l'anàlisi del qual suggereix fortament la col·lisió de dues estrelles de neutrons.