Las supernovas se encuentran entre los eventos más energéticos del Universo. Y un subconjunto de estos implica estallidos de rayos gamma, donde gran parte de la energía liberada proviene de fotones de muy alta energía. Creemos saber por qué sucede esto en términos generales: el agujero negro que dejó la explosión está expulsando chorros de materia casi a la velocidad de la luz. Pero los detalles de cómo y dónde estos chorros producen fotones no están del todo resueltos.

Desafortunadamente, estos eventos ocurren muy rápido y muy lejos, por lo que no es fácil obtener observaciones detalladas de ellos. Sin embargo, un reciente estallido de rayos gamma llamado BOAT (el más brillante de todos los tiempos) podría brindarnos nuevos conocimientos sobre los eventos días posteriores a la explosión de una supernova. Un nuevo artículo describe los datos de un telescopio que apuntaba en la dirección correcta y era sensible a la radiación extremadamente energética producida por el evento.

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El «telescopio» mencionado es el Gran observatorio de lluvia de aire a gran altitud (LHAASO). Ubicado a casi tres millas (4400 metros) sobre el nivel del mar, el observatorio es un complejo de instrumentos que no es un telescopio en el sentido tradicional. En cambio, están destinados a capturar lluvias de aire, la compleja cascada de escombros y fotones que se producen cuando las partículas de alta energía del espacio chocan contra la atmósfera.

Aunque son limitados en comparación con los telescopios tradicionales, los detectores de rociado de aire tienen ciertas ventajas para eventos como el BOAT. Tienen un campo de visión muy amplio ya que realmente no necesitan enfocarse en un evento tanto como necesitan reconstruirlo a partir de los fotones y partículas que llegan a la superficie de la Tierra. Y solo son sensibles a eventos de alta energía, lo que significa que la luz del día es demasiado débil para interferir, por lo que pueden operar las 24 horas.

Dado que LHAASO estaba tomando datos cuando estalló la supernova BOAT, sus detectores no solo capturaron el inicio del evento, sino que pudieron seguir su progreso durante días. Si bien la resolución espacial era pobre, había una gran cantidad de datos, todos separados por longitud de onda. Los primeros 100 minutos vieron más de 64.000 fotones detectados a energías superiores a 200 giga-electron-voltios. Por contexto, convertir toda la masa de un protón en energía produciría un poco menos de un GeV.

Una de las primeras cosas que fue obvia fue que había una gran diferencia entre los fotones a energías más bajas (¡pero aún muy altas!) y aquellos en los extremos más extremos del espectro electromagnético. Los datos de los fotones que estaban por encima de un tera-electron-volt cambiaron suavemente con el tiempo, mientras que los del rango de mega-electron-volt fluctuaron hacia arriba y hacia abajo.

Dar sentido a los datos

Estos datos, sugieren los investigadores, son consistentes con la sugerencia de que los eventos de menor energía son causados ​​por chorros que interactúan con los desechos de supernova turbulenta. Dado que estos desechos serán complejos y estarán cerca de la fuente de los chorros, esto limitará la cantidad de espacio que tienen las partículas en los chorros para acumular velocidad y, por lo tanto, limitar su energía.

Los fotones de mayor energía, por otro lado, se producen en áreas donde los chorros han eliminado los restos de supernova y están comenzando a interactuar con el material que formó el entorno alrededor de la estrella, probablemente partículas expulsadas por la estrella, el equivalente estelar del viento solar. . Es un entorno más disperso y coherente, lo que permite a los chorros un camino menos turbulento para acelerar partículas a las energías extremas necesarias para producir fotones con energías superiores a un TeV.

Aunque pasar los escombros de una supernova parece difícil, el proceso se lleva a cabo extremadamente rápido ya que los chorros aceleran las partículas hasta casi la velocidad de la luz. Por lo tanto, solo toma unos cinco segundos ver un rápido aumento en los fotones de TeV en los datos.

A partir de ahí hay una pendiente más suave que dura unos 13 segundos. El equipo de investigación detrás del trabajo sugiere que esto implica que los chorros interactúen y aceleren partículas en el entorno fuera de los restos de la estrella. Esto aumenta la cantidad de fotones de alta energía, pero al mismo tiempo absorbe parte de la energía de los chorros a medida que empujan contra una pila de material cada vez más grande a medida que penetran más en el medio ambiente.

Eventualmente, esta pila de material absorbe suficiente energía para que la cantidad de fotones de alta energía comience a disminuir gradualmente. Esta caída es lo suficientemente lenta como para durar unos 11 minutos.

En el caso de la supernova BOAT, esto fue seguido por una fuerte caída en los fotones de alta energía. Se cree que esto es el resultado de la ampliación de los chorros a medida que se alejan de su fuente e implica que el BARCO era tan brillante como lo observamos porque el núcleo central de su chorro apuntaba directamente a la Tierra. . El momento de este aterrizaje también proporciona información sobre el ancho del avión en ese momento.

Todavía hay mucho que aprender sobre estos eventos: todavía no sabemos cómo los agujeros negros lanzan chorros de materia en primer lugar, por ejemplo. Pero este tipo de observaciones detalladas pueden darnos una mejor idea del momento y la dinámica de la formación de chorros, lo que en última instancia ayudará a informar a los modelos de lo que sucede durante la formación de agujeros negros y la producción de chorros.

Ciencia, 2023. DOI: 10.1126/ciencia.adg9328 (Sobre los DOI).