EXPOSICION EN EL V CURSO CENTROAMERICANO DE ASTRONOMIA Y ASTROFISICA, CURCAA, 21 - 26 de Junio 1999, Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua, UNAN - Managua

HEINZ LIECHTI

Químico y Farmacólogo

Miembro: New Swiss Chemical Society, The American Chemical Society, New York Academy of Science, American Association for the Advancement of Science, The Planetary Society; (USA)

e-mail: heinz-liechti@scientist.com

Fax: 00505-279-9653 Teléfono: 00505-279-9669

Correo Centro Comercial, A.P. C-53; Managua, Nicaragua (NI)

1. Resumen:

¿ Que se sabe hoy de los diferentes tipos de "Gamma Ray Bursts" ?

El objetivo de la exposición es presentar algunos avances para entender uno de los enigmas más grandes de la astronomía de los últimos 30 años: los 'Gamma Ray Bursts'.

Se explican fuentes conocidas de Radiación Gamma y se resume brevemente la historia de los Gamma Ray Bursts y los debates de su origen. Hace pocos años todavía no era claro, si estas explosiones provenían de la cercanía del sistema solar, del halo galáctico, o de las profundidades del universo. Avances en las técnicas de detección, [sobre todo gracias a los satélites Compton y BeppoSAX], y en los conceptos teóricos, permiten ahora entender mejor estos fenómenos, sobre todo desde el año pasado, cuando se logró dar seguimiento a la parte visible de los GRB.

Se pueden distinguir dos fenómenos principales: Los 'Soft Gamma Ray Repeaters' (SGR), objetos que emiten de manera repetitiva radiación gamma ("suave"), aunque muy energética, y los 'Gamma Ray Bursts' (GRB) que son casi efímeros, pero que emiten en pocos segundos y minutos radiación gamma de energía superalta con intensidades gigantescas, liberando más energía en un instante, que 10 millones de billones de estrellas juntas durante este lapso de tiempo. Fenómenos que parecen tan dispares, podrían tener un denominador común: Campos Magnéticos inmensamente fuertes.

2. Una Justificación:

Se pudiese pensar, que en este tema se habla de un fenómeno muy "exótico": Nada más equivocado (!). El 27 de Agosto del año pasado (98), la radiación gamma del SGR 1900+14, una estrella de neutrones a unos 15'000 años luz, impactó la atmósfera terrestre en la parte nocturna, produciendo durante unos segundos la misma ionización como la que causa el sol en la parte diurna. Era la primera vez en la historia, que se pudo virtualmente sentir un fenómeno extrasolar en la tierra.

3. ¿ Qué es radiación gamma ?

Radiación más energética; superada únicamente por los Rayos Cósmicos = átomos o partículas sub-atómicas relativistas. Espectro Electromagnético: visible-ultravioleta: 300 - 800 nano-metros (10^-9); rayos-X: pico-metros (10^-12); rayos : femto-metros (10^-15)

Compton; BATSE trabaja en cuatro rangos, expresados en keV:

25 - 50 keV 5 - 100 keV 100 - 300 keV > 300 keV

Detectores: energías bajas: <100 keV: Germanio, sesgado con Litio, Ge(Li)

energías altas: 0.1 - 100 meV: Yoduro de Sodio, NaI, dopado con Talio

4. Fuentes de Radiación gamma,

unos ejemplos:

1. Sol: Todas las estrellas irradian rayos , como parte 'normal' de la Radiación Electromagnética, REM.
2. Radioactividad: En el Laboratorio y en el Universo, p.ej. Ni⁵⁶ Co⁵⁶ Fe⁵⁶ libera un cuanto de rayos , que forma parte de la explosión visible en Supernovas.
3. Radiación de Anihilación: Electron-Positron, e^- + e⁺, anihilación, produce una energía muy típica 0.511 meV se detectó cerca del núcleo galáctico
4. Sistemas Binarios producen en su Disco de Acreción radiación Rontgen y gamma, si una es una Estrella de Neutrones, se produce de manera explosiva (termonuclear).
5. Los 'Soft Gamma Ray Repeaters' (SGR), (suave, repetitivo), y los 'Gamma Ray Bursts' (GRB), (explosiones o estallidos cortos y muy violentos). Estos dos, son tema de la presente conferencia.

5. ¿ Que son los GAMMA RAY BURST'S ? ; Historia de su detección

Gamma-ray bursts (GRBs) son "flashes" de corta duración, algunos segundos, de alta energía, que aparecen en promedio una vez al día, en un lugar diferente y no predecible y de manera muy uniforme en todo el cielo. A los finales de los 1960, se detectaron accidentalmente, por satélites de vigilancia contra bombas atómicas. Hasta hoy se han registrado varios miles. (FIGURA 1)

Para estudiarlos mejor, se hicieron Satélites especializados, como Compton con BATSE, Burst and Transient Source Experiment, Beppo-SAX, entre otros.

¿ Como se ve un diagrama de un Gamma-ray burst ? (FIGURA 2)

Hasta muy reciente, unos 2 años, no se estaba seguro si provenían de la propia Vía Láctea, del Disco o de su Halo, o si tienen origen Extragaláctico. De lo único que siempre se estaba convencido era, que se trataba de los eventos más energéticos conocidos, con un enorme brillo. Incluso se sabía, que si eran Extragalácticos, tenían que ser increíblemente energéticos, equivalente al brillo y la energía de millones de billones de "soles", para ser "exacto", 10¹⁶ veces la energía radiativa de nuestro sol, equivalente a 10⁵³ erg, o de forma más imaginable: Convertir la Masa de Júpiter en pocos segundos en pura energía de radiación, (Einstein).

¿ Porqué durante 30 años no se pudo saber su Distancia ?

REM: UV-VIS-IR --- sólo con las líneas de Absorción y Emisión de los elementos, se puede detectar el REDSHIFT = CORRIMIENTO HACIA EL ROJO, lo que permite medir las diferentes velocidades y distancias.

En los últimos 2 años se lograron en todos los fenómenos asociados a GRB's, detectar Contrapartes en la luz UV-VIS. La parte en la luz visible se llama a veces también Optical Transient, OT, porque su luz se desvanece. (FIGURA 3)

Por lo tanto se logra ahora determinar las distancias conocidas hasta hoy:

para los SGR son de 10 K - 200 K años luz

para los GRB son de 2 Giga - 10 Giga años luz

Se podrían contar muchas cosas más; lo que a mí más me interesa es: ¿ Qué fenómenos o procesos físicos son la causa de semejantes explosiones ?

6. Estrella de Neutrones y Campos Magnéticos

Al parecer, el denominador común son Estrellas de Neutrones con Campos Magnéticos increíblemente fuertes, aunque el mecanismo causante para los SGR y los GRB es diferente.

Una Estrella de Neutrones es el núcleo colapsado, "sobreviviente", de una explosión de una Supernova, con una masa mayor de 1.4 M, el límite de Chandrasekar, y como lo dice el nombre, consiste de materia tan densa, que es de neutrones. Más que la masa solar en una 'bola' del diámetro de 20 km, sin entrar en detalles de física cuantica. (FIGURA 4)

Todas las Estrellas de Neutrones poseen Campos Magnéticos muy fuertes, tienen una Rotación super-rápida alrededor de su eje, de segundos o mili-segundos. Cuando el eje del Campo Magnético es diferente del eje de rotación [precesión], resulta un "jet" que emite también en la frecuencia de Radio-ondas y se llama PULSAR. Es como cuando un faro nos 'barre' con su haz de luz la cara, estando en la playa. (FIGURA 5)

'Soft Gamma Ray Repeaters' (SGR)

Describiré primero el efecto en los SGR: Una estrella de Neutrones recién "nacida", con una rotación de hasta 200 vueltas por segundo (!), todavía con el líquido de neutrones supercaliente, produce por el efecto dínamo un campo magnético enorme, 1000 veces mayor que en pulsares normales, hasta 10¹⁶ veces mayor que el campo magnético terrestre, o 10¹² veces mayor que las manchas solares, se llama MAGNETAR. Todavía a la distancia de la luna, le sacaría a Usted un objeto metálico del bolsillo. Ahora bien, la corteza de una MAGNETAR es una matriz cristalina y metálica. Lo increíble que parezca, Enanas Blancas y Estrellas de Neutrones son las únicas estrellas que suelen tener superficies sólidas. Cuando semejante campo magnético rota, deforma la corteza, iniciando una lucha de fuerzas increíbles, hasta que la corteza se rompe. Se produce un Starquake, un 'Estrellamoto', o sea un "Terremoto" en una estrella (!). La energía que se libera, de forma casi instantánea y en forma de un plasma supercalentando y el siguiente reajuste del campo magnético, es tan enorme que esta energía se libera en forma de radiación gamma. Durante 30 mil años puede recurrir este fenómeno periódicamente [=repeater], disminuyendo el calor, la velocidad de rotación y la fuerza del Campo Magnético, hasta bajar al nivel de un pulsar de rayos X anómalos.

'Gamma Ray Bursts' (GRB)

Como siempre cuando hay dos involucrados, el asunto se puede tornar más violento aún y así llegamos a los GRB. Aunque no todo está aclarado y dicho existe la hipótesis, que son Hipernovas, o sea explosiones de estrellas supermasivas, 100 veces más potentes que Supernovas, y otros probablemente son fusiones [merger] de estrellas de neutrones. La teoría más convincente, porque logra explicar casi todas la observaciones experimentales y teóricas, fue desarrollada por Hendrik Spruit, del Instituto Max Planck de Astrofísica. El concepto es el siguiente:

(FIGURA 6)

Esta estrella de Neutrones, con una masa cada vez más grande, una rotación cada vez más rápida y un Campo Magnético muy fuerte, entra en Oscilación y comienza a emitir Ondas Gravitacionales (Einstein, TGR). La deformación resultante de la estrella, combinada con la oscilación, producen lo que se llama Inestabilidad de Ondas Gravitacionales. Ahora bien, dada la viscosidad del interior, se forma como una especie de dos capas o fases dentro de la estrella. La capa exterior pierde energía por radiación Gravitacional y de Neutrinos, en los meses antes de la explosión, mientras el núcleo "enrolla" cada vez más las líneas del campo magnético, de manera desfasada. Desde luego, este Campo Magnético crece de manera exorbitante y sin poder equilibrase o ajustarse a la elevada rotación de la estrella entera. Cuando este Campo magnético irrumpe de repente a la Superficie, toda la energía rotacional se libera de un sólo 'golpe' y en forma de un Gamma Ray Burst. El 70% de la energía rotacional se libera de esta forma en radiación gamma, dejando atrás una estrella caliente con una velocidad rotacional mucho menor. Esto es "Relatividad" pura: Energía rotacional, Momento Angular y el Tórque Magnético, se convierten directamente en energía radiativa de la más alta frecuencia e intensidad, en radiación gamma, en uno de los procesos más energéticos que se conoce hasta hoy en el Universo.