Misteriosas ráfagas de radio rápidas finalmente se están enfocando

Misteriosas ráfagas de radio rápidas finalmente se están enfocando

Nadie se dio cuenta cuando un radiotelescopio australiano capturó una fugaz explosión de luz proveniente de algún lugar mucho más allá de la Vía Láctea en 2001. Registros del poderoso estallido, que produjo tanta energía en unas milésimas de segundo como lo hace el sol en una día — permaneció sin ser visto durante más de media década hasta que un grupo de científicos examinando los datos de archivo detectaron la estupenda erupción — un llamado estallido de radio rápido (FRB).

Tales explosiones enigmáticas ya no se ignoran. Los investigadores han descubierto que suceden al menos 800 veces al día en todo el cielo, pero aún no saben qué las causa. Como uno de los temas más activos en astrofísica, los FRB han visto últimamente una gran cantidad de hallazgos innovadores y, a veces, contradictorios, con artículos que remodelan el campo que aparecen regularmente en la literatura. Aunque la visión general sigue siendo turbia, apenas el año pasado, ha comenzado a surgir una imagen más clara de estas extrañas entidades.

«Creo que estamos más cerca de comprender qué algunos Los FRB sí lo son ”, dice Ziggy Pleunis, astrofísico de la Universidad de Toronto. «Pero a medida que avanzamos en esta búsqueda, los nuevos descubrimientos han llevado a nuevas preguntas».

Muchos astrónomos sienten que el tema se encuentra ahora en un punto de inflexión, donde algunos de sus mayores acertijos están a punto de resolverse. Un torrente de nuevas detecciones y estudios más profundos de estos fenómenos han elevado ciertos modelos del funcionamiento interno de los FRB al tiempo que eliminan otros, y varios proyectos futuros deberían ayudar a reducir aún más las posibilidades. Incluso si tales empresas no pueden desentrañar completamente el misterio, no obstante serán fructíferas. Los FRB ofrecen satisfacer más que la mera curiosidad académica: hemos aprendido que su luz brillante lleva dentro un registro del contenido de las vastas profundidades intergalácticas que atravesó en su camino hacia la Tierra. Estos fuegos artificiales cósmicos de una fracción de segundo, apareciendo aparentemente al azar en todo el cielo, pueden proporcionar información sobre las galaxias y el material entre ellas que ningún otro mecanismo puede proporcionar.

Momentos magnéticos

La mayor reorganización reciente que les ha ocurrido a los entusiastas de FRB fue una sorpresa. En abril de 2020, tres equipos de investigación separados detectaron una enorme explosión de energía de radio proveniente de una magnetar ubicada en la Vía Láctea. Los magnetares son una forma extrema de estrellas de neutrones, remanentes del tamaño de una ciudad con campos magnéticos obscenamente poderosos que quedan cuando las estrellas masivas mueren en detonaciones de supernovas. El campo magnético de una magnetar puede ser tan fuerte que acercarse a 1000 kilómetros de una perturbaría los núcleos atómicos y electrones constituyentes de su cuerpo, provocando que se disuelva de manera efectiva.

Los magnetares, con sus campos magnéticos ultrafuertes, ya eran uno de los principales candidatos para la fuente de FRB. Pero nunca antes se había observado que las pocas docenas en nuestra galaxia produjeran erupciones que pudieran parecerse a los fenómenos. El descubrimiento de una breve y formidable explosión de radio de una magnetar galáctica llamada SGR 1935 + 2154 fue exactamente lo que los investigadores se habían perdido. Si el objeto, en cambio, existiera en una galaxia vecina como Andrómeda, su firma habría sido indistinguible de un FRB típico.

“Ese fue un gran momento para el campo”, dice Kenzie Nimmo, astrónomo de la Universidad de Amsterdam. «Alivió todas las dudas de que al menos algunos FRB provienen de magnetares».

El tentador hallazgo alimentó las conjeturas de los teóricos sobre cómo exactamente una magnetar podría producir un FRB. La mayoría de las ideas postulan algún tipo de terremoto discordante que ocurre en el objeto o tal vez una fuerte chispa disparada cuando sus líneas de campo magnético retorcidas se rompen y se vuelven a conectar. Tales eventos podrían generar directamente un destello de FRB, o podrían generar una onda de choque que calienta el material circundante, incinerando el polvo y convirtiendo el gas en plasma para producir luz a medida que viaja hacia afuera.

Varios telescopios vieron un destello de rayos X que llegaba justo después de la señal de radio del SGR 1935 + 2154, lo que sugiere que cualquier cosa que libere la energía de radio también genera efectos secundarios más complicados. Pero lo que eso significa exactamente para la acción explosiva aún no está claro. «¿Ocurrió esto en la superficie de la estrella o en la magnetosfera o en el material alrededor de la magnetar?» pregunta Emily Petroff, astrofísica también de la Universidad de Amsterdam. «Todavía no estamos realmente de acuerdo en eso».

Curiosidades cósmicas

Por supuesto, es poco probable que un solo FRB explique completamente las multitudes ahora conocidas. En el verano de 2021, el Experimento Canadiense de Mapeo de Intensidad de Hidrógeno (CHIME), un telescopio dedicado a la búsqueda de FRB en Columbia Británica, lanzó un catálogo de 536 FRB que detectó durante el primer año de su operación, cuadruplicando el número de los registrados. Ya se sabía que las ráfagas venían en dos sabores distintos: los que emiten sus señales repetidamente y los que son eventos únicos. Los datos de CHIME mostraron que los no repetidores eran mucho más comunes que los repetidores y que cada uno tenía características diferentes.

En promedio, las ráfagas de los repetidores duraron más que sus contrapartes no repetidas y emitieron su luz en un rango de frecuencias más estrecho. Queda por ver si esto representa una diferencia real en los mecanismos de producción de estos flashes o, en cambio, algo más sobre las edades o entornos de sus progenitores. Pero la situación se asemeja a un misterio anterior que rodea a otra clase de explosiones cósmicas gigantescas: estallidos de rayos gamma, que se demostró en la década de 1990 que surgen de tres tipos separados de eventos, algunos emitiendo energía por períodos más cortos y otros por más tiempo. Con futuras detecciones, es posible que los científicos puedan profundizar en las propiedades visibles de los FRB para encontrar algo que distinga aún más a las diferentes poblaciones.

El catálogo de CHIME incluye una gran cantidad de FRB que se han identificado en una amplia variedad de galaxias específicas, enturbiando el vínculo con los magnetares, que emergen casi exclusivamente en galaxias que están produciendo cantidades estupendas de estrellas masivas de corta duración. Sin embargo, el recorrido FRB de CHIME incluye muchas fuentes de galaxias más tranquilas que apenas están formando estrellas nuevas.

“Los magnetares pueden explicar una fracción de los FRB. Nadie lo discutiría ”, dice Shami Chatterjee, astrónomo de la Universidad de Cornell. “¿Pero son todos ellos? Es casi seguro que no «.

Un nuevo documento, actualmente en revisión en Naturaleza e inicialmente publicado en el servidor de preimpresión arXiv.org en mayo, agrega apoyo a esta afirmación. Utilizando una serie de radiotelescopios denominada Red Europea de Interferometría de Línea de Base Muy Larga (VLBI), un equipo determinó la posición de un repetidor designado FRB 20200120E con extrema precisión. El objeto se había localizado originalmente en la galaxia espiral cercana M81, pero VLBI permitió a los astrónomos acercarse más y ver que vive dentro de una antigua colmena de estrellas densamente empaquetadas conocida como cúmulo globular. Tales colecciones albergan principalmente estrellas de alrededor de 10 mil millones de años; sin embargo, se cree que los magnetares solo duran alrededor de 10,000 años antes de caer en una existencia más tranquila (y presumiblemente libre de FRB) como una estrella de neutrones normal.

«Esto es un cambio de juego», dice Mohammadtaher Safarzadeh, astrofísico teórico de la Universidad de Harvard. «Lo que sea que esté causando la señal FRB probablemente tenga la misma edad que el cúmulo globular y definitivamente no es una magnetar».

Los magnetares podrían surgir ocasionalmente de dos estrellas de neutrones chocando entre sí, un mecanismo de producción que nunca se ha visto definitivamente, lo que podría permitir que una joven aparezca en un lugar tan desgastado por el tiempo, dice el astrofísico teórico Bing Zhang de la Universidad de Nevada. Las Vegas. Pero nadie sabe exactamente con qué frecuencia ocurren tales eventos o cuánto tiempo permanecerían activos los magnetares resultantes, lo que dificulta la invocación de un modelo de este tipo para cualquier FRB en particular.

Para complicar aún más la imagen del magnetar hay otra curiosidad: FRB 20180916B, también conocido como R3 porque fue la tercera fuente repetitiva jamás descubierta. Originalmente señalado a una región de formación de estrellas hacia el centro de una galaxia espiral a unos 500 millones de años luz de distancia, R3 Posteriormente se demostró que estaba en las afueras de la galaxia., lo que sugiere que es un objeto más antiguo o uno de alguna manera pateado lejos de su lugar de nacimiento más cerca del centro. Aún más extraño, la entidad solo produce explosiones durante una ventana de actividad de cuatro a cinco días que ocurre cada 16,35 días, lo que la convierte en lo que se conoce como repetidor periódico.

Desde entonces, los investigadores se han estado preguntando qué podría estar provocando una regularidad tan peculiar. Una magnetar que gira sobre su eje como una peonza, a veces apuntando sus explosiones hacia la Tierra y otras veces hacia el otro lado, es una posibilidad. Otro es un objeto que estalla en órbita alrededor de una segunda estructura, como un agujero negro rodeado por un disco de material, que oscurece cíclicamente los eventos explosivos. Se han invocado modelos aún más exóticos, como un par de estrellas de neutrones en órbita cuyas magnetosferas interactúan periódicamente, creando una cavidad donde pueden tener lugar erupciones.

“Lo que hace que el campo sea tan divertido en este momento es que hay tantas posibilidades interesantes”, dice Chatterjee.

Acercarse a las respuestas

Las principales preguntas continúan persiguiendo a los astrónomos de FRB. ¿Son los no repetidores realmente eventos únicos, o se encontrarían que estallaran nuevamente si fueran observados durante el tiempo suficiente? La magnetar de nuestra galaxia parece estar bastante tranquila. Pero, ¿fue significativamente más activo en sus años de juventud? ¿Podrían otros escenarios esotéricos, como los asteroides que chocan contra un agujero negro, producir de alguna manera señales similares a FRB? Casi a diario aparecen nuevas observaciones y teorías en los artículos preimpresos, que crean oportunidades y desafíos para quienes intentan darle sentido a todo.

La colaboración de CHIME está construyendo actualmente un conjunto de telescopios adicionales más pequeños que ayudarán a triangular las posiciones exactas en el cielo de un gran número de FRB. En unos pocos años, los investigadores esperan conocer la ubicación precisa de cientos o incluso 1.000 eventos. Además de imponer más restricciones a los modelos FRB, estos datos permitirán a los científicos realizar importantes mediciones del universo.

Los astrónomos solo originalmente sabían que los FRB provenían del exterior de la Vía Láctea porque su luz estaba dispersa, lo que significa que las frecuencias más altas llegaban unos milisegundos antes que las más bajas. Esto indicó que las ondas de radio encontraban enormes cantidades de electrones mientras viajaban a través del medio intergaláctico. Al observar el fondo cósmico de microondas, un resplandor de poco tiempo después del Big Bang, los cosmólogos han estimado la cantidad de materia visible en el universo y han llegado a un número aproximadamente dos veces mayor que el visto en estrellas y galaxias. Los investigadores tienen la intención de usar FRB para iluminar con una linterna las regiones intergalácticas, donde se cree que reside esta materia faltante. El año pasado, un equipo usó un puñado de FRB para estimar la cantidad de material a través del cual pasaba la luz y demostró que era casi exactamente equivalente a la materia ausente. El objetivo final es eventualmente construir un mapa completo de la materia en todo el universo. La luz de algunas FRB también está muy polarizada (sus ondas han sido rotas por campos magnéticos durante su vuelo), lo que potencialmente da a los astrónomos acceso a información sobre las condiciones magnéticas en otras galaxias o los espacios entre ellas.

Mientras tanto, permanece el misterio de los orígenes de los FRB. Aunque existe un consenso creciente de que el fenómeno requiere más de una explicación física, los que están en el campo saben que la certeza puede ser tan ilusoria como esquiva. «Anticipo completamente, dentro de la próxima década, tendremos una o dos sorpresas más, como el magnetar galáctico que ni siquiera sabíamos que deberíamos estar buscando, lo que impulsará nuestro entendimiento hacia adelante de una manera masiva», Petroff dice. Una sospecha generalizada es que al menos algunos FRB que no se repiten surgen de eventos cataclísmicos como estrellas de neutrones que chocan entre sí, lo que también enviaría ondas gravitacionales. Si un radiotelescopio viera una explosión al mismo tiempo que el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) o sus contrapartes en todo el mundo, haría que las mentes se inclinaran enormemente hacia esa posibilidad. Y si tal colisión produjera una magnetar, ¿podría ser que la FRB cataclísmica inicial y única daría lugar a una fuente de FRB distinta y repetitiva? Hasta el momento, nadie puede decirlo.

A medida que avanzan los temas de astronomía, los FRB aún son jóvenes y bulliciosos. Dada la historia reciente, uno de sus descubridores originales, el astrofísico Duncan Lorimer de la Universidad de West Virginia, no prevé que la investigación sobre los FRB se calme en el corto plazo. “Justo cuando piensas que las cosas se están calmando, tienes un año con todos estos descubrimientos notables”, dice.