Los raros anfitriones de las explosiones de rayos gamma

Las explosiones cósmicas, conocidas como explosiones (destellos) de rayos gamma, son curiosamente "quisquillosas" respecto del lugar donde explotan. Evitando galaxias espirales como la Vía Láctea, las explosiones de rayos gamma prefieren 'estallar' en raros sistemas estelares que los astrónomos están apenas comenzando a entender.

Existe una tendencia universal a prestar atención a las palabras de Dylan Thomas y extinguirse así con un estallido en lugar de hacerlo con un suspiro. En ningún lugar esto es más evidente que en lo profundo del cosmos.

El universo está poblado por una variedad de tipos de galaxias; una muestra se puede apreciar en esta imagen del Cúmulo Abell S0740, tomada por el Telescopio Espacial Hubble. Las explosiones de rayos gamma prefieren unas galaxias y evitan otras. [Imagen ampliada]

Cuando su tiempo se agota, las estrellas hacen su salida en una variedad de extravagantes maneras. Así, las estrellas más masivas se van con la más grande de todas las fanfarrias —con explosiones de rayos gamma (gamma–ray bursts o GRBs, por su sigla en idioma inglés), que son tremendas explosiones que sacuden el universo como ninguna otra cosa. Estas explosiones espectaculares, segundas en potencia después del Big Bang (Gran Explosión), ocurren cuando estrellas que son de 50 a 100 veces más masivas que el Sol consumen todo su combustible y colapsan. La mayoría de los astrofísicos cree que las explosiones de rayos gamma anuncian la formación de un agujero negro.

Todos los tipos de galaxias —espirales, elípticas, enanas e irregulares— contienen estrellas supermasivas. Sin embargo, curiosamente, no todos los tipos de galaxias producen explosiones de rayos gamma. Este es uno de los misterios que está siendo discutido en el Simposio sobre Explosiones de Rayos Gamma 2008, que se lleva a cabo en Huntsville, Alabama.

Andrew Fruchter, del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (Space Telescope Science Institute, en idioma inglés), asiste al simposio con el fin de compartir lo que sabe.

Para empezar, aclara, hay dos tipos de explosiones de rayos gamma: largas (o de larga duración), producidas por explosiones de estrellas supermasivas como se describe arriba, y breves (o de corta duración), producidas por algún otro proceso aún desconocido. "Las GRB breves no son 'quisquillosas' a la hora de escoger a sus anfitriones", dice Fruchter. "Se encuentran en todos los tipos de galaxias. Pero las galaxias anfitrionas de las GRB de larga duración tienden a ser raras, pequeñas e irregulares, en lugar de ser galaxias espirales 'normales' como nuestra Vía Lactea".

Fruchter cree que entiende la discrepancia. Las explosiones extremas de supernovas del tipo que producen las GRB requieren estrellas que tengan gran masa y baja metalicidad. (En astronomía, los "metales" son cualquier elemento más pesado que el hidrógeno o que el helio.) "Las galaxias más grandes tienden a ser más ricas en metales que las pequeñas", dice. "Así que las GRB evitan esas galaxias que son más grandes".

El mecanismo subyacente trabaja de la siguiente manera:

"Los metales en una estrella producen fuertes vientos estelares —los átomos de los metales reflejan la luz de la estrella y actúan como una vela solar, obteniendo un empuje adicional que el hidrógeno y el helio por sí solos no podrían obtener", dice Fruchter. "Esta actividad hace que parte de la masa de la estrella sea expulsada hacia el espacio".

De modo que las estrellas con alta metalicidad tienden a perder mucho de su masa antes de explotar. "[Los metales] pueden causar una pérdida de masa tan grande que, en lugar de convertirse en agujeros negros en el colapso, algunas estrellas pueden terminar siendo solamente estrellas de neutrones. Es muy posible que la presencia de un agujero negro sea necesaria para crear una explosión de rayos gamma".

En galaxias abarrotadas de estrellas con alta metalicidad, las explosiones de rayos gamma, en consecuencia, se suprimen. ¡Las galaxias raras de más baja metalicidad son las que tienen mejores explosiones!

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En 1999, el Telescopio Espacial Hubble (Hubble Space Telescope, en idioma inglés) observó cómo una GRB se iba apagando, dejando al descubierto su galaxia anfitriona de rara forma en el fondo. [Más información]

Gran masa. Baja metalicidad. "Deberíamos añadir también a esa lista rápidos giros", dice Chip Meegan, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales (Marshall Space Flight Center, en idioma inglés), de la NASA, quien participa en el simposio.

Cada vez queda más claro que una estrella debe girar rápidamente para producir una explosión de la potencia de una GRB. "El consenso general es que las GRB emiten la mayor parte de su energía en forma de chorro. Los chorros, en astrofísica, se forman generalmente a partir de objetos que giran", dice Fruchter.

"Si una estrella que gira lentamente colapsa para formar un agujero negro, la mayor parte de la energía simplemente desaparece en el agujero negro", explica Meegan. Las estrellas que giran rápidamente tienen un truco para permitir que algo de esa energía escape: "La fuerza centrífuga de la rotación provoca que el material que cae forme un toroide y hace que se cree una región menos densa a lo largo del eje de rotación. Esto provee un canal para que algo de la materia y de la energía salga expulsada en dirección a los polos, en lugar de ser absorbida por el agujero negro".

¿Misterio resuelto? Quizás. Meegan piensa que hay más sorpresas en el futuro:

"Las explosiones de rayos gamma nos han sorprendido muchas veces anteriormente y yo sospecho que las sorpresas aún no se han terminado. La imprevisibilidad es lo que hace a este campo tan interesante".

El Sexto Simposio sobre Explosiones de Rayos Gamma de Huntsville 2008 está patrocinado por los proyectos Fermi y Swift de la NASA y es presentado por el Equipo Fermi GBM, cuya base se encuentra en el Centro Marshall para Vuelos Espaciales, ubicado en Huntsville.

Vía: Ciencia@NASA