Astronomía de rayos g
• Fotones con energías mayores a 512 keV
• Esto equivale a temperaturas enormes,
del orden de 5,000 millones de K
• ¿Cómo detectarlos?
• ¿Qué fenómenos astronómicos los
producen?
Máscara aleatoria para IBISINTEGRAL
CGRO (1991-2000)
Arthur Holly Compton
• Premio
Nobel por el
efecto Compton
• Primera prueba
experimental de la
dualidad partículaonda de la luz
OSSE
La Región del Centro Galáctico
Emisión de 512 keV
COMPTEL
26Al
COMPTEL sky map
EGRET
Halo de Alta Energía Alrededor de
la Vía Láctea
Courtesy of D. Dixon, University of California, Riverside
BATSE
Destellos de Rayos g
Destellos de rayos gamma
5a Escuela de Verano en Astrofísica (2007)
Morelia, Michoacán
Julio 2007
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_gamm
a.html
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/bursts.html
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/diamond_jubilee/debate95.html
¿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
¿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 todo el resto del cielo gamma)
descubiertos accidentalmente hace 35 años
impredecibles, pero numerosos…
los de corta duración todavía bastante misteriosos (hay varias teorías…)
muy estudiados (en 2002/03, 3% de todas las publicaciones astronómicas)
Destellos de rayos gamma
Plan de la plática:
• Historia del descubrimiento
• Propiedades
• Origen, procesos de formación
• Especificidad e interés astronómico
• Futuro
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).
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).
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
más temprano
más
temprano
más tarde
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).
Primeras detecciones de destellos de rayos gamma
¿Destellos de rayos gamma como supernovas?
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..
c ¡¡¡Tienen que ser los objetos (conocidos)
más brillantes de todo el universo!!!
No son supernovas, son hipernovas…
Aspecto energético…
Producción de rayos gamma:
1/ Efecto Compton…
Cuando partículas relativistas (con velocidad cercana a la de la
luz) entran en colisión con fotones de baja energía (fotones IR,
visibles o UV, por ejemplo), pueden transferir una parte de su
energía a los fotones y transformarlos en rayos gamma.
En el universo, eso puede ocurrir principalmente dentro de un
disco de acreción alrededor de un objeto compacto, como un
hoyo negro o una estrella de neutrones (los remanentes de las
estrellas masivas).
La teoría alternativa a las hipernovas era, entonces, que los
brotes de rayos gamma ocurren a través del efecto Compton,
cuando material cae encima (o dentro) de un objeto compacto
(principalmente estrellas de neutrones), de manera episódica.
Este escenario era posiblemente aun más atractivo que el de
las hipernovas, porque
a/ también explica de manera natural por qué son brotes.
b/ sabemos que hay muchos sistemas binarios con un objeto
compacto en la Vía Láctea.
c/ no se necesita un proceso tan energético.
¿Brotes de rayos gamma como sistemas binarios?
Aspecto energético…
1/ Como hay muchos sistemas con
objetos compactos en nuestra Galaxia,
la mayoría de los brotes de rayos
gamma serían mucho más cercanos que
en el caso de hipernovas. El flujo
observado implicaría entonces una
luminosidad intrínseca mucho más
pequeña.
2/ Podrían no ser isotrópicos: la ley en r2 no sería válida…
Esta teoría alternativa también hace una predicción: la mayoría de los brotes deberían estar
asociados con la Vía Láctea. Su distribución, entonces, debería tener la misma morfología que
la Vía Láctea.
Situación al final de los años 80…
Descubrimiento en 1973, rápidamente confirmado,
de la existencia de los brotes de rayos gamma.
Comprensión de que eran fenómenos realmente
gamma, no la cola de alta energía de un fenómeno a
frecuencias más bajas.
Comprensión también de que eran muy comunes (si
un pequeño instrumento como VELA podía ver 16 en
5 años, un instrumento poderoso debería ver cientos
cada año).
Provocaron una mini-revolución dentro de la comunidad (alrededor de 2000 artículos fueron escritos
sobre ellos entre 1973 y 1991)… Sin embargo, no había consenso ni mucho menos… Literalmente
cientos de teorías fueron propuestas para explicarlos. Se pueden agrupar en dos clases relativamente bien
definidas:
Supernovas (hipernovas)
Sistemas binarios compactos/
efecto Compton
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:
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:
La respuesta a la pregunta:
Brotes extragalácticos
¿
Brotes galácticos
ó
es
?
Mala respuesta… (no le gustó a la comunidad)
1991-1997
La mayoría de la comunidad que trabajaba en este campo pensaba que iba a ser al revés… Poner los
brotes afuera de la Vía Láctea implicaba que eran difícilmente explicables, por la energía que
requerían..
Había evidencia de que algunos de los brotes tenían líneas espectrales (en rayos X), lo que indicaba un
campo magnético muy fuerte -una propiedad común de las estrellas de neutrones, que también tienen
estas líneas.
También había evidencia de que algunos de los brotes se repetían: varias veces, brotes parecían venir
de la misma dirección del cielo. Eso se esperaría en caso de un origen en estrellas de neutrones
Galácticas, pero no en el esquema de una hipernova.
Finalmente, se detectaron estrellas de neutrones de alta velocidad, suficiente como para escapar del
disco de la Galaxia y repartirse en un ¨halo¨, más o menos esférico, alrededor de la Vía Láctea.
Nueva propuesta: son fenómenos
asociados a estrellas de neutrones en el
halo de la Galaxia
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!
(Un millón de veces…)
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.
El famosísimo evento GRB970228
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…
1997
El otro famosísimo evento: GRB971214
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.
1997
Efecto Doppler y corrimiento al rojo
z
Expansión del universo
Ley de Hubble:
V=Hd
El corrimiento al rojo es
proporcional a distancia
Se necesitan correcciones
si v se acerca a la
velocidad de la luz (a
grandes distancias)
El otro famosísimo evento: GRB971214
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 z = 3.4
Según los modelos cosmológicos que tenemos, el universo tiene 14 mil millones de años. En este modelo,
un objeto a z = 3.4 esta a 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!!
1997
Se ha encontrado otras contrapartes
ópticas de brotes de rayos gamma:
Aun en el radio se han detectado…
Estructura temporal de los brotes de rayos gamma:
Con la acumulación de observaciones de brotes de rayos gamma, se pudo empezar a hacer
¨zoología¨. Una de las sorpresas fue la variedad de estructura temporal.
Conclusión:
a/ Los brotes de rayos gamma son eventos que ocurren en otras galaxias.
b/ Tienen contrapartes (menos energéticas) a todas longitudes de onda.
c/ A todas longitudes de onda, la intensidad decae rápidamente después del brote (más
rápidamente a más alta energía).
d/ Tienen que ser eventos poderosos.
e/ Mucha variedad…
Preguntas:
a/ ¿Son isotrópicos o hay efecto de focalización?
b/ ¿Qué son?
Después de 35 años de investigación, los astrónomos piensan
que solamente quedan 2 clases de teorías posibles…
Dos (tipos de) teorías:
Estrella masiva
Hipernova
Hoyo negro
Dos (tipos de) teorías:
Estrella masiva
Fusión de dos
estrellas de
neutrones
Bola de fuego
Hipernova
Fusión y emisión en
haces colimados
Hoyo negro
En los últimos años, surgió un nexo entre brotes de rayos gamma y supernovas…
Dos tipos de destellos
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
Estrella masiva
Fusión de dos
estrellas de
neutrones
Bola de fuego
Hipernova
Fusión y emisión en
haces colimados
Hoyo negro
 = 1/(1-v2/c2)1/2
= 100
= 10 a 1
r = 1015 cm
r = 1017 cm
E = 1051 erg
E = 1051 erg
Modelo intermedio entre los que se consideraba (una estrella masiva, pero un evento colimado)…
A Gamma-Ray Burst
in Four Easy Pieces
1. Central
engine
2. Ultra-relativistic
outflow
3. Internal shocks
(gamma-ray burst)
4. External shock
(afterglow)
Jet Signatures: Optical/X-ray
GRB 990510
t-0.82
Piran, Science, 08 Feb 2002
Achromatic breaks
- edge of jet is visible
- lateral expansion
tjet=1.2 d
t-2.18
Harrison et al. (1999)
¿Es cierto?
Una propiedad muy conocida de los chorros relativistas es el ¨beaming¨:
Si uno tiene un chorro de velocidad aparente vapp y con una cierta apertura Q, solamente la
parte del chorro cuyo ángulo al observador sea más pequeña que un ángulo qmax se puede
observar.
donde b app = vapp/c
Fuente
Q
V
qmax
Observador
Otra propiedad conocida de los chorros relativistas es el ¨boosting¨:
Si un chorro está dirigido en la dirección de un observador, la intensidad de cualquier
radiación emitida es amplificada por un factor , de manera que Eobs = Eemit.
La combinación de beaming y boosting permite hacer una predicción sobre el
comportamiento temporal de una eyección relativista:
Suponemos que a un tiempo t0 ocurre una eyección ultra-relativista de materia. Conforme
el tiempo avanza, la materia expelida se aleja de la fuente y su velocidad disminuye. Eso
implica que, con el tiempo, el valor de  disminuye. Como el beaming y el boosting van
como , si  disminuye, ambos efectos van a disminuir con el tiempo.
La disminución del boosting implica que el brillo superficial disminuye con el tiempo.
La disminución del beaming implica que se ve una fracción cada vez más grande del
material expulsado, lo cual parcialmente compensa el efecto de disminución del boosting.
Un cálculo detallado muestra que la disminución del boosting gana sobre la ganancia del
beaming siempre.
Finalmente, conforme el tiempo avanza, la ganancia del beaming desaparece, porque ya se
ve todo el material expulsado. Queda solamente la disminución del boosting, sin ninguna
compensación. La disminución ocurre aún más rápidamente…
t < tchorro
 grande
log f
|tchorro
t > tchorro
 pequeño
log t
log f
|tchorro
log t
Efecto del beaming sobre la energía de los brotes…
Antes
de la corrección
de beaming
(isotrópico)
Después
de la corrección
de beaming
Entonces, ¿ya sabemos qué son los brotes
de rayos gamma?:
Afortunadamente, ¡no!...
Recuerden la variedad de estructura temporal…
Los brotes con asociación clara con supernovas son todos de larga duración (más de 30 s).
¿Qué son los brotes de duración corta? Quién sabe…
¿Cuándo vamos a saberlo?...
¡¡¡Pronto!!!
HETE: High Energy Transient Explorer
(ya lanzado)
Sistema bastante parecido al de BEPPOSAX (localización gamma y luego X de los brotes),
pero más rápido y con alerta más automática a los telescopios ópticos en la Tierra. Deberá
permitir estudiar en detalle los brotes más cortos…
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 tendrá los tres!
High Energy Stereoscopic System
Mide los fotones visibles producidos por los fotones de
rayos gamma al interaccionar con la atmósfera
GLAST =
Gamma-Ray
Large Area
Space
Telescope
Programado
para el 2008
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