Una explosión de rayos gamma récord revela nuevas pistas sobre los jets cósmicos

Un equipo internacional de científicos ha anunciado observaciones revolucionarias sobre la GRB 221009A, la explosión de rayos gamma (gamma-ray burst, GRB) más brillante jamás registrada. Publicadas hoy en la revista The Astrophysical Journal Letters, estas observaciones proporcionan la evidencia más sólida hasta ahora de la existencia de jets complejos y estructurados en explosiones cósmicas de larga duración, consideradas entre los eventos más poderosos del universo.

El trabajo, liderado por el experto Arnau Aguasca-Cabot, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (ICCUB-IEEC), cuenta con la participación destacada de los investigadores Pol Bordas, Marc Ribó y Josep Maria Paredes (ICCUB-IEEC), entre otros.

Los autores forman parte de la Colaboración CTAO LST, un proyecto científico global dedicado a avanzar en la astronomía de rayos gamma de muy alta energía. El proyecto reúne a expertos de más de once países para diseñar, construir y operar los telescopios de grandes dimensiones (large-sized telescope, LST) del Observatorio de la Red de Telescopios de Cherenkov (Cherenkov Telescope Array Observatory, CTAO), una instalación de nueva generación para explorar los fenómenos más extremos del universo.

La GRB 221009A, conocida como BOAT (por el inglés brightest of all time), la detectaron por primera vez el 9 de octubre de 2022 observatorios espaciales como los satélites Fermi y Swift de la NASA. La explosión fue tan intensa que saturó los detectores y desató observaciones de seguimiento en todo el mundo.

El telescopio LST-1, situado en la parte norte del CTAO en la isla de La Palma, comenzó a observar el evento solo 1,33 días después de la explosión inicial. Esto convierte estas observaciones terrestres en las más tempranas de rayos gamma de muy alta energía de este evento captadas con un telescopio de Cherenkov atmosférico de imagen.

Estos instrumentos detectan rayos gamma de forma indirecta y capturan los breves destellos de luz que se producen cuando estos rayos interactúan con la atmósfera terrestre. A pesar de las difíciles condiciones debido a la luz de la luna, el equipo pudo registrar un exceso de eventos de rayos gamma de la GRB 221009A, lo que lo convierte en un descubrimiento raro y valioso en este rango de energía.

Lo que hace especialmente emocionante este descubrimiento es su contribución a la comprensión de las GRB, cómo funcionan y cómo emiten cantidades tan colosales de energía. Los datos del LST-1 apoyan la teoría de que la GRB 221009A fue impulsada por un jet estructurado, un núcleo estrecho y ultrarrápido rodeado por un ala más lenta y ancha. Esto contrasta con los modelos más simples de jets top-hat que se utilizan habitualmente para describir las GRB.

"La GRB 221009A proporciona una evidencia sólida de un jet estructurado en GRB largas", explica el experto Arnau Aguasca-Cabot (ICCUB-IEEC). "Su detección tiene implicaciones significativas para los modelos teóricos de jets".

Las observaciones del LST-1 también ayudan a distinguir entre modelos teóricos competidores. Algunos preveían una emisión de rayos gamma de muy alta energía muy superior a la observada. Los nuevos datos descartan estos modelos, lo que reduce el campo de estudio y guía la investigación futura.

"Eventos únicos como esta GRB, que desafían los modelos teóricos, pueden revelar pistas sobre la naturaleza desconocida del motor central que impulsa este jet cósmico", detalla Pol Bordas, investigador del ICCUB-IEEC y coautor del estudio.

Esta campaña marca el seguimiento de GRB más extenso jamás realizado por el LST-1, con una duración de más de veinte días. También demuestra la capacidad del telescopio para operar en condiciones de luz de luna, un paso importante para aumentar la capacidad de respuesta del observatorio frente a eventos cósmicos transitorios.

"Llevamos a cabo el primer análisis en condiciones de luz de luna, y así se estableció un precedente clave para el rápido seguimiento de eventos transitorios cuando la recogida de datos en tiempo real es crítica", detalla Mònica Seglar Arroyo, investigadora del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y coordinadora del estudio.

Estos resultados destacan el poder de los telescopios de nueva generación del CTAO para explorar el universo de alta energía, puesto que se está entrando en una nueva era de la investigación sobre el funcionamiento interno de las explosiones cósmicas con un detalle sin precedentes.

A medida que el CTAO sigue expandiéndose —con más telescopios operativos en ambos hemisferios—, los científicos anticipan observaciones aún más rápidas y sensibles de GRB y otros fenómenos extremos.

Los telescopios de gran tamaño (LST, por sus siglas en inglés) son uno de los tres tipos de telescopios que el CTAO utilizará para cubrir su amplio rango de energía, desde 20 GeV hasta 300 TeV. Cuando los rayos gamma interactúan con la atmósfera terrestre, generan cascadas de partículas que producen luz Cherenkov. Puesto que los rayos gamma de baja energía generan solo pequeñas cantidades de luz Cherenkov, se necesitan telescopios con grandes superficies de colección para detectarla. El LST, con su plato de 23 metros de diámetro, proporcionará la sensibilidad única del CTAO en el rango de baja energía entre 20 y 150 GeV.

Pese a una altura de 45 metros y un peso 100 toneladas, cada LST puede reorientarse hacia cualquier punto del cielo en solo 20 segundos. Tanto esta capacidad de reorientación rápida como el umbral de baja energía de los LST son cruciales para los estudios del CTAO sobre transitorios galácticos, núcleos galácticos activos de gran desplazamiento al rojo y brotes de rayos gamma.

La colaboración LST del CTAO, responsable del diseño y construcción de estos telescopios, está avanzando rápidamente en la ubicación del CTAO Norte, en La Palma. En 2018 se inauguró el prototipo LST-1, que ha estado en fase de comisionamiento desde entonces. Actualmente, se están construyendo tres LST adicionales que se prevé que estén completados en la primavera de 2026.

El CTAO (Observatorio de Telescopios Cherenkov, www.ctao.org) será el más grande y potente observatorio del mundo dedicado a la astronomía de rayos gamma. Su precisión sin precedentes y su amplio rango de energía (20 GeV - 300 TeV) ayudarán a abordar algunas de las cuestiones más desconcertantes de la astrofísica, agrupadas en tres grandes temas: entender el origen y el papel de las partículas cósmicas relativistas; explorar entornos extremos, tales como agujeros negros o estrellas de neutrones, e investigar las fronteras de la física, buscando materia oscura o desviaciones de la teoría de la relatividad de Einstein.

Además, el CTAO jugará un papel clave en los campos de la multilongitud de onda y el multimensajero durante las próximas décadas gracias a su rendimiento mejorado, que le permitirá proporcionar información fundamental sobre rayos gamma para explorar los escenarios más extremos.

Para cubrir su amplio rango de energía, el CTAO utilizará tres tipos de telescopios: los telescopios de gran tamaño (LST), los telescopios medianos (MST) y los pequeños (SST). Más de sesenta telescopios se distribuirán entre dos lugares: el CTAO Norte en el hemisferio norte, en el Observatorio del Roque de los Muchachos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), en La Palma, y el CTAO Sur en el hemisferio sur, en el Observatorio Paranal del Observatorio Europeo Austral (ESO), situado en el desierto de Atacama (Chile).

La sede central del CTAO está acogida por el Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), en Bolonia (Italia), y el Centro de Gestión de Datos (SDMC) tiene su sede en el Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, en Zeuthen (Alemania).

El CTAO es un proyecto de macrodatos que generará cientos de petabytes (PB) al año (12 PB aproximadamente, después de la compresión). Basado en su compromiso con la ciencia abierta, será el primer observatorio de rayos gamma de su clase que operará como un observatorio abierto, basado en propuestas, proporcionando acceso público a sus datos científicos de alto nivel y productos de software.

En enero de 2025, el CTAO fue establecido como un Consorcio Europeo de Infraestructura de Investigación (ERIC) por la Comisión Europea. Los miembros fundadores del CTAO ERIC son Austria, República Checa, el Observatorio Europeo Austral (ESO), Francia, Alemania, Italia, Polonia, Eslovenia y España. Además, Japón es un socio estratégico, y se está trabajando en la adhesión de Suiza y Croacia como miembros fundadores.

CTAO ERIC, conocido habitualmente como la Organización Central del CTAO, es responsable de la construcción y operación del observatorio. Este grupo trabaja en estrecha cooperación con socios de todo el mundo para el desarrollo del observatorio. Los principales socios incluyen colaboraciones en especie que desarrollan componentes esenciales de hardware y software, además del Consorcio CTAO, un grupo internacional de investigadores que trabaja en la explotación científica del observatorio.