astronomía de rayos fotones con energías mayores a 512 kev esto equivale a temperaturas enormes,...
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Astronomía de rayos
• Fotones con energías mayores a 512 keV
• Esto equivale a temperaturas enormes, del orden de 5,000 millones de K
• ¿Cómo detectarlos?
• ¿Qué fenómenos astronómicos los producen?
Máscara aleatoria para IBIS-INTEGRAL
CGRO (1991-2000)
Arthur Holly Compton
• Premio Nobel por el efecto Compton
• Primera prueba experimental de la dualidad partícula-onda de la luz
OSSE
La Región del Centro Galáctico
Emisión de 512 keV
26Al COMPTEL sky map
EGRET
Halo de Alta Energía Alrededor de la Vía Láctea
Courtesy of D. Dixon, University of California, Riverside
BATSE
Destellos de Rayos
Destellos de rayos gammaDestellos de rayos gamma
Laurent Loinard y Luis F. Rodríguez Centro de Radioastronomía y Astrofísica de Morelia Universidad Nacional Autónoma de México
5a Escuela de Verano en Astrofísica (2007)
Morelia, Michoacán
Julio 2007
Información complementaria:
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/jbonnell/www/grbhist.html
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l2/history_gamma.html
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/bursts.html
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/diamond_jubilee/debate95.html
• eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos) • emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma)
¿Qué son los destellos de rayos gamma?¿Qué son los destellos de rayos gamma?
3 108
Black body temperature (K)
3 1066 1033000.33 10-5
• eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos) • emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma) • muy intensos (pueden ser tan brillantes como todo el resto del cielo gamma)• descubiertos accidentalmente hace 35 años • impredecibles, pero numerosos… • los de corta duración todavía bastante misteriosos (hay varias teorías…)• muy estudiados (en 2002/03, 3% de todas las publicaciones astronómicas)
¿Qué son los destellos de rayos gamma?¿Qué son los destellos de rayos gamma?
Plan de la plática:
• Historia del descubrimiento
• Propiedades
• Origen, procesos de formación
• Especificidad e interés astronómico
• Futuro
Destellos de rayos gammaDestellos de rayos gamma
Producción de rayos gamma en la naturaleza: fenómenos muy energéticos, como…
Las bombas atómicas empezaron a construirse en los años 1940 y 1950 (Los Álamos, etc.); durante esos años, las pruebas se hacían al aire libre (en el desierto de Arizona, la isla de Bikini, etc.)
Al final de los años 1950 y el inicio de los años 1960, los peligros de la radioactividad para la salud empezaron a conocerse; en 1963 se firmó el primer tratado limitado de prohibición de pruebas atómicas (Partial Test Ban Treaty) en el atmósfera, bajo el agua, y en el espacio.
De inmediato (en octubre del 1963), el ejército norteamericano (US Air Force) inició un programa para verificar que la Unión Soviética cumpliera con este tratado.
El programa consistía en una serie de satélites llamados VELA (del español velar, vigilar) equipados con detectores de rayos X, rayos gamma y neutrones. Los satélites eran enviados en pares, en órbita exactamente opuesta (para no dejar ninguna parte de la Tierra invisible), con un diámetro de 250,000 km (período de más o menos 4 días).
Seis series de satélites (VELA1 a VELA6) fueron enviados, con niveles de sofisticación cada vez más altos. A partir de VELA4, la resolución temporal de los instrumentos era suficiente para estimar la dirección de origen de la emisión usando métodos de triangulación (diferencia de tiempo entre la detección en los dos satélites).
Producción de rayos gamma en la naturaleza: fenómenos muy energéticos, como…
Las bombas atómicas empezaron a construirse en los años 1940 y 1950 (Los Álamos, etc.); y durante esos años, las pruebas se hacían al aire libre (en el desierto de Arizona, la isla de Bikini, etc.)
Al final de los años 1950 y el inicio de los años 1960, los peligros de la radioactividad para la salud empezaron a conocerse; en 1963 se firmó el primer tratado limitado de prohibición de pruebas atómicas (Partial Test Ban Treaty) en el atmósfera, bajo el agua y en el espacio.
De inmediato (en octubre del 1963), el ejército norteamericano (US Air Force) inició un programa para verificar que la Unión Soviética cumpliera con este tratado.
El programa consistía en una serie de satélites llamados VELA (del español velar, vigilar) equipados con detectores de rayos X, rayos gamma y neutrones. Los satélites eran enviados en pares, en órbita exactamente opuesta (para no dejar ninguna parte de la Tierra invisible), con una diámetro de 250,000 km (período de más o menos 4 días).
Seis series de satélites (VELA1 a VELA6) fueron enviados, con niveles de sofisticación cada vez más altos. A partir de VELA4, la resolución temporal de los instrumentos era suficiente para estimar la dirección de origen de la emisión usando métodos de triangulación (diferencia de tiempo entre la detección en los dos satélites).
más tarde
más tarde
más temprano
más temprano
Primeras detecciones de brotes de rayos gamma
Hasta 1967, los satélites VELA no registraron ningún evento (afortunadamente para la humanidad). A partir de 1967, con el aumento de la sensitividad de los detectores X y gamma, empezó a haber detecciones de emisión gamma.
Sin embargo, estas emisiones no tenían las características esperadas de explosiones nucleares en la Tierra. Por ejemplo, la emisión esperada de una explosión de bomba atómica tiene la mayor parte de su energía en los rayos X, mientras que las emisiones detectadas por las misiones VELA parecían tener su pico en los rayos gamma. Además, en la mayoría de los casos, el mismo brote se detectaba con los dos satélites (no podían venir de la Tierra)…
Finalmente, en 1973 6 años después de la primera detección-, Ray Klebesadel (responsable del programa VELA en Los Álamos) y sus colegas Ian Strong y Roy Olsen publicaron en el Astrophysical Journal la lista de los 16 brotes que se había detectado hasta entonces con las misiones VELA5 y VELA6 (con una estimación de posición).
En parte porque no era lo que buscaban, en parte por razones de seguridad nacional, y en parte porque no entendían bien de lo que se trataba, los científicos del ejército norteamericano no hicieron mucho sobre estas emisiones de rayos gamma, y no anunciaron su descubrimiento al resto del mundo hasta mucho después. Hasta 1972, solamente archivaban todos los eventos con sus características para verlos después.
Con el lanzamiento al espacio de VELA5 (1969), que tenía la resolución temporal suficiente para estimar la dirección de origen de las emisiones, se confirmó que no venían de la Tierra. También se supo que no venían del Sol, ni del Sistema Solar, porque no había una concentración de brotes en el plano de la eclíptica (donde están la Tierra y los otros planetas).
Primeras detecciones de destellos de rayos gamma
¿Destellos de rayos gamma como supernovas? Aspecto energético…
Los instrumentos a bordo de satélites (o conectados a telescopios terrestres) miden flujos, es decir la cantidad de energía que entra en cada cm2 de detector.
Si son objetos fuera de la Vía Láctea, los destellos de rayos gamma tienen que ser brillantísimos..
¡¡¡Tienen que ser los objetos (conocidos) más brillantes de todo el universo!!!
No son supernovas, son hipernovas…
Producción de rayos gamma:
1/ Efecto Compton…
Cuando partículas relativistas (con velocidad cercana a la de la luz) entran en colisión con fotones de baja energía (fotones IR, visibles o UV, por ejemplo), pueden transferir una parte de su energía a los fotones y transformarlos en rayos gamma.
En el universo, eso puede ocurrir principalmente dentro de un disco de acreción alrededor de un objeto compacto, como un hoyo negro o una estrella de neutrones (los remanentes de las estrellas masivas).
La teoría alternativa a las hipernovas era, entonces, que los brotes de rayos gamma ocurren a través del efecto Compton, cuando material cae encima (o dentro) de un objeto compacto (principalmente estrellas de neutrones), de manera episódica.
Este escenario era posiblemente aun más atractivo que el de las hipernovas, porque
a/ también explica de manera natural por qué son brotes.
b/ sabemos que hay muchos sistemas binarios con un objeto compacto en la Vía Láctea.
c/ no se necesita un proceso tan energético.
¿Brotes de rayos gamma como sistemas binarios?
Aspecto energético…
1/ Como hay muchos sistemas con objetos compactos en nuestra Galaxia, la mayoría de los brotes de rayos gamma serían mucho más cercanos que en el caso de hipernovas. El flujo observado implicaría entonces una luminosidad intrínseca mucho más pequeña.
2/ Podrían no ser isotrópicos: la ley en r-
2 no sería válida…
Esta teoría alternativa también hace una predicción: la mayoría de los brotes deberían estar asociados con la Vía Láctea. Su distribución, entonces, debería tener la misma morfología que la Vía Láctea.
Situación al final de los años 80…
Descubrimiento en 1973, rápidamente confirmado, de la existencia de los brotes de rayos gamma.
Comprensión de que eran fenómenos realmente gamma, no la cola de alta energía de un fenómeno a frecuencias más bajas.
Comprensión también de que eran muy comunes (si un pequeño instrumento como VELA podía ver 16 en 5 años, un instrumento poderoso debería ver cientos cada año).
Provocaron una mini-revolución dentro de la comunidad (alrededor de 2000 artículos fueron escritos sobre ellos entre 1973 y 1991)… Sin embargo, no había consenso ni mucho menos… Literalmente cientos de teorías fueron propuestas para explicarlos. Se pueden agrupar en dos clases relativamente bien definidas:
Supernovas (hipernovas) Sistemas binarios compactos/ efecto Compton
BATSE/GRO
Solución del dilema: tener un instrumento capaz de medir relativamente bien la posición de unos miles de brotes de rayos gamma…
En 1991, NASA lanzó el satélite GRO (Gamma Ray Observatory), equipado con varios instrumentos.
Uno de estos instrumentos (BATSE, por Burst And Transient Source Experiment) estaba diseñado precisamente para la detección de brotes de rayos gamma y su localización en el cielo.
BATSE inmediatamente empezó a detectar brotes de rayos gamma. En 1 año, aproximadamente 250 brotes habían sido detectados. Su distribución en el cielo era:
BATSE/GRO
Solución del dilema: tener un instrumento capaz de medir relativamente bien la posición de unos miles de brotes de rayos gamma…
En 1991, NASA lanzo el satelite GRO (Gamma Ray Observatory), equipado con varios instrumentos.
Uno de estos instrumentos (BATSE, por Burst And Transient Source Experiment) estaba diseñado precisamente para la detección de brotes de rayos gamma y su localización en el cielo.
BATSE inmediatamente empezó a detectar brotes de rayos gamma. En 1 año, aproximadamente 250 brotes habían sido detectados. Su distribución en el cielo era:
Después de 8 años (y 2,500 detecciones), la situación era aun más clara:
La respuesta a la pregunta:
Brotes extragalácticos Brotes galácticos
ó ?¿
es
Mala respuesta… (no le gustó a la comunidad)
La mayoría de la comunidad que trabajaba en este campo pensaba que iba a ser al revés… Poner los brotes afuera de la Vía Láctea implicaba que eran difícilmente explicables, por la energía que requerían..
Había evidencia de que algunos de los brotes tenían líneas espectrales (en rayos X), lo que indicaba un campo magnético muy fuerte una propiedad común de las estrellas de neutrones, que también tienen estas líneas.
También había evidencia de que algunos de los brotes se repetían: varias veces, brotes parecían venir de la misma dirección del cielo. Eso se esperaría en caso de un origen en estrellas de neutrones Galácticas, pero no en el esquema de una hipernova.
Finalmente, se detectaron estrellas de neutrones de alta velocidad, suficiente como para escapar del disco de la Galaxia y repartirse en un ¨halo¨, más o menos esférico, alrededor de la Vía Láctea.
Nueva propuesta: son fenómenos asociados a estrellas de neutrones en el
halo de la Galaxia
1991-1997
Otro pregunta: ¿pero dónde están realmente?...
Por razones técnicas, es muy difícil obtener una resolución angular muy buena a muy alta frecuencia. La resolución de BATSE era de más o menos 5 grados. ¡Es enormemente mala!
(Un millón de veces…)
Nuevo satélite: BEPPOSAX... 1997
Estrategia:Estrategia:
Detectar los brotes con el instrumento de rayos gamma.
Observarlos con cámaras X de mejor resolución para determinar su posición con suficiente precisión.
Buscar el objeto responsable en el óptico, donde la resolución y la sensitividad son mucho mejores.
El famosísimo evento GRB970228 1997
Se ha observado más brotes de rayos gamma que los dioses que hay en cualquier mitología, así que no se les da nombres sino números. GRB970228 = Gamma Ray Burst del 28 de febrero de 1997.
GRB970228 fue visto por un grupo de científicos italianos y holandeses que monitoreaban los datos del satélite BEPPOSAX desde Roma, el 28 de febrero del 1997 a las 5:00 de la mañana, simultáneamente con el detector de rayos gamma y la cámara X de gran apertura.
La resolución de esta cámara X era mejor que el campo de visión de otra cámara X, con mucho mejor resolución, también a bordo de BEPPOSAX. Reprogramaron inmediatamente al BEPPOSAX para observar GRB970228 con dicha cámara de alta resolución angular. 8 horas después del brote, se obtuvo su posición con una precisión de 0.5 minutos de arco (500 veces mejor que la precisión de BATSE). Era, por mucho, la mejor posición nunca obtenida para un brote de rayos gamma.
Con una posición tan precisa, el equipo de investigación llamó a colegas en las Canarias (España), donde observaron (solamente 21 horas después del brote) en el óptico. Vieron una fuente poderosa, puntual y nunca antes vista. Por primera vez, se había detectado la contraparte óptica de un brote de rayos gamma…
Observaron la misma posición otra vez una semana después, y la fuente había desaparecido…
Unas semanas más tarde, entre mediados de marzo y mediados de abril, otros telescopios, particularmente el Telescopio Espacial Hubble, observaron en la misma dirección. Encontraron todavía una fuente puntual que disminuía en intensidad con el tiempo y tambien una fuente débil extendida, casi seguramente una galaxia lejana…
El otro famosísimo evento: GRB971214 1997
Otros brotes fueron estudiados de la misma manera. El siguiente más importante fue GRB971214.
La misma técnica se aplicó para encontrar e identificar la contraparte óptica. Pero en este caso, también se pudo obtener un espectro de la emisión extendida (galaxia) alrededor de la posición del brote. El espectro es muy importante, porque permite determinar la distancia al objeto usando el efecto Doppler.
Efecto Doppler y corrimiento al rojo
Expansión del universo Ley de Hubble:
V = H dEl corrimiento al rojo es proporcional a distancia
Se necesitan correcciones si v se acerca a la velocidad de la luz (a grandes distancias)
z
El otro famosísimo evento: GRB971214 1997
Otros brotes fueron estudiados de la misma manera. El siguiente más importante fue GRB971214.
La misma técnica se aplicó para encontrar e identificar la contraparte óptica. Pero en este caso, también se pudo obtener un espectro de la emisión extendida (galaxia) alrededor de la posición del brote. El espectro es muy importante, porque permite determinar la distancia al objeto usando el efecto Doppler.
Obtuvieron z = 3.4
Según los modelos cosmológicos que tenemos, el universo tiene 14 mil millones de años. En este modelo, un objeto a z = 3.4 esta a una distancia de 12 mil millones de años luz. Cuando explotó el brote, el universo tenía solamente 2 mil millones de años, 7 veces menos que hoy…
No solamente los brotes de rayos gamma son eventos afuera de nuestra galaxia, algunos vienen de las galaxias más lejanas.
Tienen que ser explosiones ¡¡tremendísimas!!
Se ha encontrado otras contrapartes ópticas de brotes de rayos gamma:
Aun en el radio se han detectado…
Estructura temporal de los brotes de rayos gamma:
Con la acumulación de observaciones de brotes de rayos gamma, se pudo empezar a hacer ¨zoología¨. Una de las sorpresas fue la variedad de estructura temporal.
Conclusión:
a/ Los brotes de rayos gamma son eventos que ocurren en otras galaxias.
b/ Tienen contrapartes (menos energéticas) a todas longitudes de onda.
c/ A todas longitudes de onda, la intensidad decae rápidamente después del brote (más rápidamente a más alta energía).
d/ Tienen que ser eventos poderosos.
e/ Mucha variedad…
a/ ¿Son isotrópicos o hay efecto de focalización?
b/ ¿Qué son?
Preguntas:
Después de 35 años de investigación, los astrónomos piensan que solamente quedan 2 clases de teorías posibles…
Estrella masiva
Hipernova
Hoyo negro
Dos (tipos de) teorías:
Fusión de dos estrellas de neutrones
Bola de fuego
Fusión y emisión en haces colimados
Estrella masiva
Hipernova
Hoyo negro
Dos (tipos de) teorías:
En los últimos años, surgió un nexo entre brotes de rayos gamma y supernovas…
Dos tipos de destellos
Una supernova extraña asociada con un brote de rayos gamma… SN 1998bw/GRB 980425
Detectada con BEPPOSAX como un brote de rayos gamma.
Independientemente, desde la Tierra como una supernova...
Antes Después
Pero una supernova extraña...
Bastante más poderosa que las supernovas ¨normales¨...
Con emisión radio fortísima que sólo se puede explicar como un chorro (jet) relativista
Fusión de dos estrellas de neutrones
Bola de fuego
Fusión y emisión en haces colimados
Estrella masiva
Hipernova
Hoyo negro
= 100
r= 1015 cm
E = 1051 erg
= 10 a 1
r= 1017 cm
E = 1051 erg
Modelo intermedio entre los que se consideraba (una estrella masiva, pero un evento colimado)…
= 1/(1-v2/c2)1/2
A Gamma-Ray Burst in Four Easy Pieces
1. Central engine
2. Ultra-relativistic outflow
3. Internal shocks(gamma-ray burst)
4. External shock(afterglow)
Jet Signatures: Optical/X-ray
Piran, Science, 08 Feb 2002
GRB 990510
t-0.82
tjet=1.2 d t-2.18
Harrison et al. (1999)
Achromatic breaks- edge of jet is visible
- lateral expansion
¿Es cierto?
Una propiedad muy conocida de los chorros relativistas es el ¨beaming¨:
Si uno tiene un chorro de velocidad aparente vapp y con una cierta apertura , solamente la parte del chorro cuyo ángulo al observador sea más pequeña que un ángulo max se puede observar.
Observador
Fuente V
max
donde app = vapp/c
Otra propiedad conocida de los chorros relativistas es el ¨boosting¨:
Si un chorro está dirigido en la dirección de un observador, la intensidad de cualquier radiación emitida es amplificada por un factor , de manera que Eobs = Eemit.
Suponemos que a un tiempo t0 ocurre una eyección ultra-relativista de materia. Conforme el tiempo avanza, la materia expelida se aleja de la fuente y su velocidad disminuye. Eso implica que, con el tiempo, el valor de disminuye. Como el beaming y el boosting van como , si disminuye, ambos efectos van a disminuir con el tiempo.
La combinación de beaming y boosting permite hacer una predicción sobre el comportamiento temporal de una eyección relativista:
La disminución del boosting implica que el brillo superficial disminuye con el tiempo.
La disminución del beaming implica que se ve una fracción cada vez más grande del material expulsado, lo cual parcialmente compensa el efecto de disminución del boosting. Un cálculo detallado muestra que la disminución del boosting gana sobre la ganancia del beaming siempre.
Finalmente, conforme el tiempo avanza, la ganancia del beaming desaparece, porque ya se ve todo el material expulsado. Queda solamente la disminución del boosting, sin ninguna compensación. La disminución ocurre aún más rápidamente…
t < tchorro
grandelog f
log t|tchorro
t > tchorro
pequeño
log f
log t|tchorro
Antesde la corrección
de beaming(isotrópico)
Despuésde la corrección
de beaming
Efecto del beaming sobre la energía de los brotes…
Entonces, ¿ya sabemos qué son los brotes de rayos gamma?:
Afortunadamente, ¡no!...
Recuerden la variedad de estructura temporal…
Los brotes con asociación clara con supernovas son todos de larga duración (más de 30 s).
¿Qué son los brotes de duración corta? Quién sabe…
¿Cuándo vamos a saberlo?...
HETE: High Energy Transient Explorer (ya lanzado)
¡¡¡Pronto!!!
Sistema bastante parecido al de BEPPOSAX (localización gamma y luego X de los brotes), pero más rápido y con alerta más automática a los telescopios ópticos en la Tierra. Deberá permitir estudiar en detalle los brotes más cortos…
SWIFT (lanzado en 2004)
¿Por qué perder tiempo en alertar a los telescopios ópticos en la Tierra y no poner un telescopio óptico directamente en el mismo satélite que tiene los detectores gamma y X?
¡SWIFT tendrá los tres!
High Energy Stereoscopic System
Mide los fotones visibles producidos por los fotones de rayos gamma al interaccionar con la atmósfera
GLAST = Gamma-Ray Large Area Space Telescope
Programado para el 2008