Phenómenos sorprendentes observados por el NuSTAR de la NASA en la explosión cósmica más brillante jamás detectada.

Los astrónomos creen que la GRB 221009A representa el nacimiento de un nuevo agujero negro formado en el corazón de una estrella colapsante. En esta ilustración, el agujero negro impulsa poderosos chorros de partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz. Los chorros atraviesan la estrella emitiendo rayos X y rayos gamma a medida que se desplazan al espacio. Crédito: NASA/Swift/Cruz deWilde

Las observaciones del telescopio de rayos X NuSTAR de la NASA proporcionan a los astrónomos nuevas pistas sobre el estallido de rayos gamma más brillante y energético jamás detectado.

Los científicos descubrieron el estallido de rayos gamma más brillante, apodado GRB 221009A o BOAT, en octubre de 2022. A diferencia de los estallidos de rayos gamma anteriores, la GRB 221009A tenía una estructura de chorro única con un núcleo estrecho, lados más anchos y una variación en la energía según la distancia del núcleo. Los fenómenos sin precedentes observados en el estallido fueron documentados por el observatorio NuSTAR de la NASA y múltiples telescopios de rayos X.

Cuando los científicos detectaron el estallido de rayos gamma conocido como GRB 221009A el 9 de octubre de 2022, lo apodaron el más brillante de todos los tiempos, o BOAT. La mayoría de los estallidos de rayos gamma ocurren cuando el núcleo de una estrella más masiva que nuestro Sol colapsa, convirtiéndose en un agujero negro. Estos eventos liberan regularmente tanta energía en unos pocos minutos como nuestro Sol liberará en toda su vida útil. Los estudios de seguimiento mostraron que la GRB 221009A era 70 veces más brillante y mucho más energética que el poseedor del récord anterior. Aunque los científicos aún no comprenden por qué, han recibido una pista tentadora del observatorio NuSTAR de la NASA.

Un chorro de partículas atraviesa una estrella cuando esta colapsa en un agujero negro durante un típico estallido de rayos gamma, como se muestra en este concepto artístico. El chorro creado por la GRB 221009A tenía algunas características únicas. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

En un estudio publicado el 7 de junio, en la revista Science Advances, los científicos utilizaron las observaciones de NuSTAR del evento para mostrar cómo la estrella en colapso eyectó un chorro de material que tenía una forma no observada previamente entre los chorros de estallidos de rayos gamma, así como otras características únicas. Es posible que la fuente de estas diferencias sea la estrella progenitora, cuyas propiedades físicas podrían influir en las características del estallido. También es posible que un mecanismo completamente diferente lance los chorros más brillantes al espacio.

El estallido de rayos gamma, la explosión más energética del universo, se puede ver a miles de millones de años luz de distancia. La GRB 221009A fue tan luminosa que efectivamente cegó la mayoría de los instrumentos de rayos gamma en el espacio cuando se detectó el 9 de octubre de 2022. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

"Este evento fue mucho más brillante y más energético que cualquier estallido de rayos gamma que hayamos visto antes, ni siquiera se acerca", dijo Brendan O'Connor, autor principal del nuevo estudio y astrónomo en la Universidad George Washington en Washington. "Luego, cuando analizamos los datos de NuSTAR, nos dimos cuenta de que también tiene esta estructura única de chorro. Y eso fue realmente emocionante, porque no tenemos forma de estudiar la estrella que produjo este evento; ya se fue. Pero ahora tenemos algunos datos que nos dan pistas sobre cómo explotó".

Los rayos gamma son la forma de luz más energética del universo, aunque invisibles a simple vista. Todos los estallidos de rayos gamma conocidos se originaron en galaxias fuera de nuestra Vía Láctea, pero son lo suficientemente brillantes como para ser vistos a miles de millones de años luz de distancia. Algunos parpadean y duran menos de dos segundos, mientras que los llamados estallidos de rayos gamma largos suelen emitir rayos gamma durante un minuto o más. Estos objetos pueden emitir otras longitudes de onda durante semanas.

El telescopio espacial Hubble capturó el resplandor infrarrojo (circulado) del estallido de rayos gamma conocido como GRB 221009A y su galaxia huésped. Esta composición incorpora imágenes tomadas el 8 de noviembre y el 4 de diciembre de 2022, aproximadamente uno y dos meses después de la erupción. El resplandor puede seguir siendo detectable durante varios años. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Universidad Radboud); Procesamiento de Imágenes: Gladys Kober

GRB 221009A, un estallido de rayos gamma largo, fue tan brillante que efectivamente cegó la mayoría de los instrumentos de rayos gamma en el espacio. Los científicos estadounidenses pudieron reconstruir este evento con datos del telescopio espacial Fermi Gamma-ray de la NASA para determinar su brillo real. (El BOAT también fue detectado por los telescopios espaciales Hubble y James Webb de la NASA, las naves espaciales Wind y Voyager 1 de la agencia, así como la nave Solar Orbiter de la ESA, o Agencia Espacial Europea).

Similar to other gamma-ray bursts, GRB 221009A had a jet that erupted from the collapsing star like it was shot into space from a fire hose, with gamma rays radiating from the hot gas and particles at the jet’s core. But GRB 221009A’s jet stood out in a few ways. In just about every previously observed gamma-ray burst, the jet remained remarkably compact and there was little to no stray light or material outside the narrow beam. (In fact, gamma-ray bursts are so compact, the gamma rays can only be observed when their jets are pointed almost directly at Earth.)

The Fermi Gamma-ray Space Telescope observes the cosmos using the highest-energy form of light, providing an important window into the most extreme phenomena of the universe, from gamma-ray bursts and black-hole jets to pulsars, supernova remnants, and the origin of cosmic rays. Credit: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

By contrast, in GRB 221009A the jet had a narrow core with wider, sloping sides. Some of the most energetic gamma-ray jets have shown similar properties, but the jet from the BOAT was unique in one important way: The energy of the material in GRB 221009A also varied, meaning that instead of all the material in the jet having the same energy – like a single bullet shot from a gun – the energy of the of the material changed with distance from the jet’s core. This has never been observed in a long gamma-ray burst jet before.

“The only way to produce a different jet structure and vary the energy is to vary some property of the star that exploded, like its size, mass, density, or magnetic field,” said Eleonora Troja, a professor of physics at the University of Rome, who led NuSTAR the observations of the event. “That’s because the jet has to basically force its way out of the star. So, for example, the amount of resistance it meets would potentially influence the features of the jet.”

Artist’s concept of NuSTAR on orbit. Credit: NASA/JPL-Caltech

Astronomers can see the light from gamma-ray jets, but the distance means they can’t resolve images of the jets directly. Researchers have to interpret the light from these events to learn about the physical characteristics of faraway objects. It’s sort of like looking at footprints in the snow and inferring something about the physical traits of the person who left them.

In many cases, there may be more than one possible explanation for the light from a cosmic event. More than one X-ray telescope observed GRB 221009A, including NASA’s Neil Gehrels Swift Observatory and Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), as well as ESA’s XMM-Newton telescope. The NuSTAR data helped narrow down those possibilities. It shows that as the jet traveled into space, it collided with the interstellar medium, or the sparse sea of atoms and particles that fills the space between stars. This collision created X-rays – particles of light slightly less energetic than gamma rays.

“There are multiple X-ray telescopes operating in space, each with different strengths that can help astronomers understand these cosmic objects better,” said Daniel Stern, NuSTAR project scientist at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California.

Reference: “A structured jet explains the extreme GRB 221009A” by Brendan O’Connor, Eleonora Troja, Geoffrey Ryan, Paz Beniamini, Hendrik van Eerten, Jonathan Granot, Simone Dichiara, Roberto Ricci, Vladimir Lipunov, James H. Gillanders, Ramandeep Gill, Michael Moss, Shreya Anand, Igor Andreoni, Rosa L. Becerra, David A. H. Buckley, Nathaniel R. Butler, Stephen B. Cenko, Aristarkh Chasovnikov, Joseph Durbak, Carlos Francile, Erica Hammerstein, Alexander J. van der Horst, Mansi M. Kasliwal, Chryssa Kouveliotou, Alexander S. Kutyrev, William H. Lee, Gokul P. Srinivasaragavan, Vladislav Topolev, Alan M. Watson, Yuhan Yang and Kirill Zhirkov, 7 June 2023, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adi1405

More About the Mission

A Small Explorer mission led by Caltech and managed by the Jet Propulsion Laboratory (JPL) for NASA’s Science Mission Directorate in Washington, NuSTAR was developed in partnership with the Danish Technical University and the Italian Space Agency (ASI). The spacecraft was built by Orbital Sciences Corp. in Dulles, Virginia. NuSTAR’s mission operations center is at the University of California, Berkeley, and the official data archive is at NASA’s High Energy Astrophysics Science Archive Research Center at the agency’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. ASI provides the mission’s ground station and a mirror data archive. Caltech manages JPL for NASA.