dissabte, 5 de juny de 2021

El seguiment pel H.E.S.S. de les emissions de raigs X i gamma de l’objecte que generà GRB 190829A

Astronomia: Els esclats de raigs gamma (GRB) tenen durades que van de l’ordre de mil·lisegons a hores. Els més persistents d’aquestes explosions còsmiques serien emesos per jets relativistes ocasionats pel col·lapse d’un estel massiu, i consistirien generalment en uns pocs segons d’esclat, i hores i dies de resplendor minvant, amb emissions en la banda de la radiació gamma i també dels raigs X. Les emissions de raigs γ i X són les més energètiques (alta freqüència i curta longitud d’ona) de l’espectre electromagnètic, i són així objecte de l’anomenada “astronomia d’alta energia”. Una de les instal·lacions adreçada a aquesta branca és el Sistema Estereoscòpia d’Alta Energia (H.E.S.S., en l’acrònim anglès) situat prop de Gamsberg, a Namíbia. Es tracta d’un sistema de cinc telescopis Cherenkov que detecta l’aparició a l’atmosfera terrestre dels productes de raigs gamma còsmics de l’ordre de GeV a TeV: en la col·laboració HESS participen més de 260 investigadors de 40 centres d’Àfrica, Europa, Àsia i Austràlia. El H.E.S.S. publica aquesta setmana a la revista Science un article sobre les seves observacions del resplendor subsegüent a l’esclat de raigs gamma del 29 d’agost del 2019 (GRB 190829A), un esclat de llarga durada, i relativament proper atenent a les distàncies habituals d’aquests fenòmens extragalàctics. La curta distància que ens separa de GRB 190829A ha permès a H.E.S.S. de detectar el resplendor ulterior a bandes de l’ordre de TeV, que en la majoria de GRB són absorbides pel medi intergalàctic. L’espectre i la corba temporal de la resplendor de raigs X i gamma de GRB 190829A obre més interrogants que respostes, ja que no s’ajusta als models estàndards d’astronomia d’alta energia.

Detall d’un pla reflector del sistema H.E.S.S. L’acrònim de HESS vol dir Sistema Estereoscòpic d’Alta Energia, i és alhora un homenatge a Victor Hess (1883-1964), qui fa 110 anys començà a entendre que els alts nivells de radiació ionitzant de l’alta atmosfera terrestre tenien el seu origen en una radiació còsmica.

El resplendor de GRB 190829A entre 4 i 56 hores després de l’esclat

Els esclats de raigs gamma són explosions còsmiques descomunals. Per pura raó estatística, la majoria es produeixen en galàxies molt i molt llunyanes (hi ha més galàxies molt llunyanes que molt properes). Hom suposa que són el producte de col·lapses gravitatoris de nuclis estel·lars: al cataclisme inicial hi segueix un resplendor que s’esvaeix en qüestió d’hores o de dies.

El 20 d’agost del 2019 els satèl·lits Fermi (telescopi orbital de raigs gamma de la NASA) i Swift (observatori d’esclats de raigs gamma de la NASA) detectaren un esclat de raigs gamma en la constel·lació d’Eridà que, en ésser el primer del dia, seria eventualment catalogat com a GRB 190829A.

La constel·lació d’Eridà té l’equador celeste precisament com a límit nord

GRB 190829A no fou pas un esclat molt lluminós dins d’aquesta categoria de cataclismes. Les dades de desplaçament al vermell indiquen que l’objecte que l’originà no és un objecte excessivament llunyà: 3 gigaparsecs (quan la majoria de GRB es produeixen a més de 50 GPa). Però aquestes dues característiques el feien especialment interessant per al seguiment del H.E.S.S., que n’observà el resplendor entre les 4 i les 56 hores després de l’esclat. La poca lluminositat intrínseca de GRB 190829A i el poc desplaçament al vermell reduïren, respectivament, l’absorció interna i l’absorció externa del resplendor. D’aquesta manera, les observacions del H.E.S.S. permeten determinar-hi l’espectre d’energia intrínseca.

L’espectre del resplendor

A energies situades entre 0,18 i 3,3 TeV, l’espectre de radiació gamma d’alta energia del resplendor segueix una llei de potència amb un índex fotònic de 2,07 ± 0,09. Aquesta llei de potència és similar a la que segueix l’espectre de raigs X.

Les corbes de llum de totes dues finestres (raigs gamma d’alta energia i raigs X) segueixen una pauta temporal d’extinció també semblant.

El resplendor de GRB 190829A no es correspon als models estàndards

Que tant la banda de raigs gamma com la de raigs X tinguin un espectre i una corba d’extinció semblants no es correspon gens al que hom esperaria dels models estàndards.

Hom suposa que els esclats de raigs gamma són el resultat del col·lapse d’estels massius de ràpida rotació i de la consegüent formació de forats negres. D’aquest procés en resulta una enorme emissió de fonts d’alta energia (en la banda de raigs gamma i de raigs X), és a dir de radiacions còsmiques que són detectats pels observatoris terrestres en forma de flaixos atmosfèrics. Els models estàndards s’adrecen a explicar com l’alliberament d’energia gravitatòria en el col·lapse estel·lar genera una ona explosiva ultrarelativística. Sota el terme d’esclat de raigs gamma hom es refereix particularment a la fase inicial i caòtica, que en el cas dels esclats llargs sol durar de l’ordre de desenes de segons; però també cal explicar el resplendor subsegüent, més suau, i que s’extingeix progressivament en qüestió d’hores o dies.

Segons aquests models estàndards, la radiació gamma i els raigs X del resplendor de GRB resulten de mecanismes diferents. Els raigs X s’originarien d’electrons ultraràpids desviats en els forts camps magnètics que envolten la zona del GRB, mentre que els raigs gamma serien el resultat de col·lisions entre electrons ràpids i fotons accelerats. Les dades de H.E.S.S. conviden a pensar, però, que els raigs gamma d’alta energia també es produirien arran d’aquest procés de sincrotró. Ara bé, les energies a les quals caldria accelerar els electrons perquè generessin raigs gamma de fins a 3,3 TeV semblen fora del límit d’un col·lapse gravitatori estel·lar, i encara més si parlem d’un GRB relativament petit com el GRB 190829A.

Les observacions qüestionen, de tota manera, que la radiació gamma d’alta energia del resplendor de GRB sigui deguda a un efecte auto-Compton de sincrotró.

Aquest és un exemple dels problemes oberts en l’astronomia d’alta energia, que són alhora un esperó per a projectes com el Cherenkov Telescope Array de Xile o de La Palma.

Lligams:

- Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow. H.E.S.S. Collaboration, H. Abdalla1, F. Aharonian2,3,4, F. Ait Benkhali3, E. O. Angüner5, C. Arcaro6, C. Armand7, T. Armstrong8, H. Ashkar9, M. Backes1,6, V. Baghmanyan10, V. Barbosa Martins11, A. Barnacka12, M. Barnard6, Y. Becherini13, D. Berge11, K. Bernlöhr3, B. Bi14, E. Bissaldi15,16, M. Böttcher6, C. Boisson17, J. Bolmont18, M. de Bony de Lavergne7, M. Breuhaus3, F. Brun9, P. Brun9, M. Bryan19, M. Büchele20, T. Bulik21, T. Bylund13, S. Caroff7, A. Carosi7, S. Casanova3,10, T. Chand6, S. Chandra6, A. Chen22, G. Cotter8, M. Curyło21, J. Damascene Mbarubucyeye11, I. D. Davids1, J. Davies8, C. Deil3, J. Devin23, L. Dirson24, A. Djannati-Ataï23, A. Dmytriiev17, A. Donath3, V. Doroshenko14, L. Dreyer6, C. Duffy25, J. Dyks26, K. Egberts27, F. Eichhorn20, S. Einecke28, G. Emery18, J.-P. Ernenwein5, K. Feijen28, S. Fegan29, A. Fiasson7, G. Fichet de Clairfontaine17, G. Fontaine29, S. Funk20, M. Füßling11, S. Gabici23, Y. A. Gallant30, G. Giavitto11, L. Giunti9,23, D. Glawion20, J. F. Glicenstein9, M.-H. Grondin31, J. Hahn3, M. Haupt11, G. Hermann3, J. A. Hinton3, W. Hofmann3, C. Hoischen27, T. L. Holch11, M. Holler32, M. Hörbe8, D. Horns24, D. Huber32, M. Jamrozy12, D. Jankowsky20, F. Jankowsky33, A. Jardin-Blicq3, V. Joshi20, I. Jung-Richardt20, E. Kasai1, M. A. Kastendieck24, K. Katarzyński34, U. Katz20, D. Khangulyan35, B. Khélifi23, S. Klepser11, W. Kluźniak26, Nu. Komin22, R. Konno11, K. Kosack9, D. Kostunin11, M. Kreter6, G. Lamanna7, A. Lemière23, M. Lemoine-Goumard31, J.-P. Lenain18, F. Leuschner14, C. Levy18, T. Lohse36, I. Lypova11, J. Mackey2, J. Majumdar11, D. Malyshev14, D. Malyshev20, V. Marandon3, P. Marchegiani22, A. Marcowith30, A. Mares31, G. Martí-Devesa32, R. Marx33,3, G. Maurin7, P. J. Meintjes37, M. Meyer20, A. Mitchell3, R. Moderski26, L. Mohrmann20, A. Montanari9, C. Moore25, P. Morris8, E. Moulin9, J. Muller29, T. Murach11, K. Nakashima20, A. Nayerhoda10, M. de Naurois29, H. Ndiyavala6, J. Niemiec10, L. Oakes36, P. O’Brien25, H. Odaka38, S. Ohm11, L. Olivera-Nieto3, E. de Ona Wilhelmi11, M. Ostrowski12, S. Panny32, M. Panter3, R. D. Parsons36, G. Peron3, B. Peyaud9, Q. Piel7, S. Pita23, V. Poireau7, A. Priyana Noel12, D. A. Prokhorov19, H. Prokoph11, G. Pühlhofer14, M. Punch13,23, A. Quirrenbach33, S. Raab20, R. Rauth32, P. Reichherzer9, A. Reimer32, O. Reimer32, Q. Remy3, M. Renaud30, F. Rieger3, L. Rinchiuso9, C. Romoli3, G. Rowell28, B. Rudak26, E. Ruiz-Velasco3, V. Sahakian39, S. Sailer3, H. Salzmann14, D. A. Sanchez7, A. Santangelo14, M. Sasaki20, M. Scalici14, J. Schäfer20, F. Schüssler9, H. M. Schutte6, U. Schwanke36, M. Seglar-Arroyo9, M. Senniappan13, A. S. Seyffert6, N. Shafi22, J. N. S. Shapopi1, K. Shiningayamwe1, R. Simoni19, A. Sinha23, H. Sol17, A. Specovius20, S. Spencer8, M. Spir-Jacob23, Ł. Stawarz12, L. Sun19, R. Steenkamp1, C. Stegmann27,11, S. Steinmassl3, C. Steppa27, T. Takahashi40, T. Tam41, T. Tavernier9, A. M. Taylor11, R. Terrier23, J. H. E. Thiersen6, D. Tiziani20, M. Tluczykont24, L. Tomankova20, M. Tsirou3, R. Tuffs3, Y. Uchiyama35, D. J. van der Walt6, C. van Eldik20, C. van Rensburg1, B. van Soelen37, G. Vasileiadis30, J. Veh20, C. Venter6, P. Vincent18, J. Vink19, H. J. Völk3, Z. Wadiasingh6, S. J. Wagner33, J. Watson8, F. Werner3, R. White3, A. Wierzcholska10,33, Yu Wun Wong20, A. Yusafzai20, M. Zacharias6,17, R. Zanin3, D. Zargaryan2,4, A. A. Zdziarski26, A. Zech17, S. J. Zhu11, J. Zorn3, S. Zouari23, N. Żywucka6, P. Evans25, K. Page25. Science 372: 1081-1085 (2021).

- Front-row view reveals exceptional cosmic explosion, News from the DESY research centre, 2021/06/03.

- High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.).