Nuestros radiotelescopios están detectando señales misteriosas de galaxias lejanas: ¿cuál es su origen?

• La primera detección reportada de los misteriosos eventos ráfagas rápidas de radio fue en 2007
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Impresión artística de un FRB llegando a la Tierra. Jingchuan Yu, Beijing Planetarium.

Si nuestros ojos percibieran el espectro de colores de las ondas de radio, seríamos testigos de un espectáculo de luces bastante peculiar cada vez que dirigimos nuestra mirada hacia el cielo: innumerables destellos de luz que cambian de color y desaparecen en fracciones de segundo.

Estos pulsos de luz son conocidos desde hace más de medio siglo por los astrónomos, quienes los han observado y estudiado utilizando radiotelescopios. Sabemos que son generados por una clase especial de estrellas superdensas en nuestra galaxia llamadas púlsares, las cuales se forman cuando estrellas mucho más grandes que nuestro Sol agotan todo su combustible y colapsan bajo su propio peso.

Como si fuera un faro incrustado en el cielo, cada púlsar emite un haz luminoso a través de sus polos magnéticos que nuestros telescopios detectan como pulsos regulares a medida que la estrella gira y dicho haz se alinea con la Tierra.

El cambio de color de los destellos se debe al material galáctico en forma de gas ionizado que se encuentra entre estas estrellas y nosotros, el cual actúa como un prisma que dispersa las ondas de radio. Gracias a la dispersión podemos determinar la cantidad de material en la trayectoria de cada pulso hacia la Tierra. Por esta razón, los púlsares son realmente útiles para estudiar la estructura y composición de la Vía Láctea.

Impresión artística de un púlsar. B. Saxton, NRAO/AUI/NSF.

FRB: destellos de otras galaxias

Mucho más reciente es el descubrimiento de que algunos de los destellos de radio que detectamos diariamente desde la Tierra no están asociados a púlsares en nuestro vecindario galáctico. Los astrónomos llamamos a estos misteriosos eventos ráfagas rápidas de radio (FRB, por sus siglas en inglés), y solo sabemos de su existencia desde la primera detección reportada en 2007.

Descubrimiento del primer FRB, mostrando la detección de cada uno de sus componentes (frecuencias). El pulso reconstruido aparece en la parte superior derecha. Lorimer et al. 2007.

Aunque son morfológicamente similares, la dispersión de los FRB puede llegar a ser enorme comparada con los pulsos generados por púlsares, lo cual implica una gran cantidad de gas en sus trayectorias. Otra diferencia importante es que la gran mayoría de FRB no se repiten.

Ahora sabemos que las ráfagas rápidas de radio provienen de otras galaxias, algunas a miles de millones de años luz de la nuestra. El hecho de que podamos detectarlas desde la Tierra significa que son millones de veces más luminosas que los pulsos de los púlsares conocidos, constituyendo unas de las explosiones más potentes de todo el Universo.

Múltiples teorías

Poco más podemos decir con certeza sobre el origen de los FRB. Hasta ahora, más de medio centenar de teorías han sido propuestas para explicar este enigmático fenómeno. La gran mayoría involucran estrellas de neutrones, familia a la cual pertenecen los púlsares, como fuentes de FRB. Otras hipótesis invocan agujeros negros como posibles generadores.

También hay expertos que sugieren que los FRB constituyen evidencia de objetos y procesos físicos aún desconocidos, de partículas fundamentales que hasta ahora son consideradas hipotéticas e incluso de inteligencia extraterrestre.

El descubrimiento de que algunos FRB se repiten (provienen de la misma región del universo) de manera irregular implica que al menos algunos de los objetos que los generan no se autodestruyen. Y esto sería así a pesar de la cantidad descomunal de energía liberada durante estas explosiones. Aún no está claro si estos objetos son diferentes a los que generan el resto de FRB.

El desafío de observar FRB

Estos destellos son un fenómeno bastante común. Se estima que miles de ellos se producen en el cielo diariamente. Entonces, ¿por qué sabemos tan poco sobre ellos? ¿Cómo han podido eludir nuestros telescopios durante tanto tiempo?

Es la naturaleza aleatoria de la gran mayoría de esas ráfagas de radio y su corta duración lo que las hace extremadamente difíciles de detectar y estudiar. A excepción de los pocos FRB repetitivos, es imposible predecir cuándo y en qué lugar del cielo aparecerá el siguiente centelleo.

Por otro lado, los radiotelescopios tradicionales están formados por discos enormes diseñados para recoger la mayor cantidad de luz posible en una dirección específica del cielo. Esto los hace extremadamente útiles cuando sabemos exactamente el objeto que queremos observar (una estrella, un planeta, una galaxia, etc.), pero bastante ineficientes para detectar señales efímeras y aleatorias como los FRB.

Por este motivo hasta hace unos años la tasa de detección de FRB era tan baja que existían más teorías sobre su origen que señales identificadas para estudiarlos y contrastarlos con los datos de cada uno de estos modelos.

CHIME: el gran detector de FRB

El campo de estudio de los FRB ha cambiado radicalmente desde la puesta en funcionamiento del radiotelescopio CHIME (por sus siglas en inglés, Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) en 2018.

El radiotelescopio CHIME.

Mientras que hizo falta una década desde su descubrimiento para detectar los primeros 50 FRB utilizando radiotelescopios tradicionales distribuidos por todo el mundo, CHIME ha localizado miles en sus primeros cuatro años de funcionamiento. Se ha convertido en el detector de ráfagas rápidas de radio más poderoso que se haya construido.

Su capacidad de detección sin precedentes se debe a su distintivo diseño y a un supercomputador especializado capaz de realizar casi mil billones de operaciones por segundo (el más poderoso de su tipo). Estas características le brindan a CHIME la misma capacidad de observación de mil telescopios del tamaño de una cancha de fútbol especializados en la detección de señales extremadamente dispersas.

Nuevas pistas sobre su origen

Esta gran avalancha de nuevas detecciones ha permitido un estudio mucho más detallado de las propiedades de los FRB.

Por ejemplo, ahora sabemos que existen diferentes clases y que los provenientes de fuentes repetitivas tienden a durar más tiempo y a tener estructuras espectrotemporales más complejas. Sin embargo, aún no contamos con información suficiente para determinar si esto se debe a diferentes objetos generadores, mecanismos de emisión o efectos de propagación.

Diferentes clases de FRB detectados con el telescopio CHIME. Pleunis et al. 2021.

Dos descubrimientos recientes realizados gracias a CHIME han sido claves para comprender el origen y la naturaleza de este fenómeno.

El primero, publicado en 2020, fue la detección de una ráfaga de radio extremadamente luminosa en la dirección de un magnetar en nuestra galaxia. Los magnetares también son estrellas de neutrones, pero sus campos magnéticos resultan miles de veces más intensos que los de un púlsar promedio. Básicamente, hablamos de los imanes más poderosos que existen en el Universo.

Aunque técnicamente esta ráfaga no constituye un FRB, ya que proviene de nuestra galaxia, esta es la primera vez que una explosión comparable a la de un FRB se asocia directamente a un objeto en particular, en este caso un magnetar.

El segundo, publicado este año, es la detección de un FRB con características nunca antes observadas. La ráfaga duró más de tres segundos, miles de veces más que un FRB promedio. Más aún, en lugar de un solo pulso, consistía en un tren de pulsos que se repetían de forma estrictamente periódica cada 0,2 segundos.

Señal reconstruida del FRB más largo hasta ahora detectado y que consiste de un tren de pulsos con un periodo de aproximadamente 0,2 segundos. The CHIME/FRB Collaboration 2022.

Este comportamiento es notablemente similar al de los pulsos de un púlsar, excepto que, por alguna razón aún desconocida, los ahora descubiertos son millones de veces mas intensos.

Estos hallazgos refuerzan la teoría de que las estrellas de neutrones, ya sean púlsares o magnetares, pueden generar FRB. Sin embargo, no todas nuestras observaciones son consistentes con esta teoría, así que la evidencia actual no descarta la posibilidad de que existan otras fuentes de estas explosiones en el Universo.

Una nueva herramienta para estudiar los confines del Universo

Más allá de comprender su origen, gran parte del interés de la comunidad científica en los FRB radica en la posibilidad de utilizarlos para estudiar la estructura del cosmos de la misma manera que lo hacemos con la Vía Láctea gracias a los púlsares.

Las aplicaciones de los FRB van desde la detección del tenue gas que permea el espacio intergaláctico hasta el estudio de las propiedades magnéticas del Universo a escalas cosmológicas; y desde la exploración de las épocas más tempranas de la evolución del Universo hasta el estudio de la misteriosa energía oscura, responsable de la expansión acelerada del cosmos en tiempos más recientes.

Estas señales de otras galaxias tienen el potencial de ayudarnos a resolver grandes enigmas de la astrofísica y la cosmología modernas, muchos de los cuales tienen implicaciones profundas en la física fundamental y en nuestra comprensión del Universo.

Definitivamente, el descubrimiento de los FRB ha abierto una nueva ventana a la exploración del cosmos.

Juan Mena-Parra, Assistant Professor, Dunlap Institute and David A. Dunlap Department of Astronomy and Astrophysics, University of Toronto. Lea el artículo original.