Las ráfagas rápidas de radio (FRBs, por sus siglas en inglés) son uno de los eventos cósmicos más poderosos y enigmáticos del universo. Descubiertas hace poco más de una década, estas ráfagas liberan en milisegundos una cantidad inmensa de energía, lo que las convierte en uno de los tipos de fenómenos más energéticos observados hasta la fecha. Sin embargo, los procesos físicos que las originan aún son desconocidos y representan una de las preguntas abiertas más fascinantes actualmente en la astrofísica moderna.
Representación artística de un magnetar rodeado por la nebulosa responsable de la emisión radio asociada a algunas ráfagas rápidas de radio (FRB) Crédito: “US NSF/AUI/NSF NRAO S. Dagnello”.
En algunos casos, el breve destello de una FRB se acompaña de una emisión persistente de radio más débil. Un equipo internacional, liderado por el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia (INAF) y con la participación del IAA-CSIC, ha demostrado que esta radiación persistente se origina en una burbuja de plasma, proporcionando nueva información sobre la naturaleza de estos misteriosas fenómenos cósmicos. Los resultados de este estudio se publican hoy en la revista Nature.
Una burbuja de plasma
Este nuevo estudio, en el que también ha participado un equipo internacional de institutos de investigación y universidades de Italia, China, Estados Unidos, España y Alemania, ha registrado la emisión de radio persistente más débil detectada hasta ahora para una FRB. Se trata de FRB20201124A, una ráfaga rápida de radio cuya fuente está ubicada en una galaxia a unos 1.300 millones de años luz de distancia de la Tierra.
Las observaciones se realizaron con el radiotelescopio más sensible del mundo, el Very Large Array (VLA) en los Estados Unidos. Los datos permitieron a los científicos verificar la predicción teórica de que una burbuja de plasma está en el origen de la emisión de radio persistente de las ráfagas rápidas de radio. “Fuimos capaces de demostrar a través de observaciones que la emisión persistente observada en algunas ráfagas rápidas de radio se comporta como se espera del modelo de emisión nebular, es decir, una ‘burbuja’ de gas ionizado que rodea el motor central que genera el FRB”, explica Gabriele Bruni, investigador del INAF en Roma y autor principal del nuevo artículo. “En particular, a través de observaciones de radio de FRB20201124A, una de las ráfagas que se ha producido más cerca de la Tierra, pudimos medir la débil emisión persistente proveniente del mismo lugar que la FRB, ampliando el rango de flujo de radio explorado hasta ahora para estos objetos en dos órdenes de magnitud”.
Una ráfaga recurrente
Se da la peculiaridad que FRB 20201124A es un evento recurrente, algo poco común, ya que solo alrededor del 10% de las aproximadamente 800 FRBs conocidas repiten. Fue detectado por primera vez el 24 de noviembre de 2020, y en marzo de 2021 se registraron nuevamente ráfagas rápidas de radio provenientes de la misma región del cielo.
“Gracias a este hecho y empleando interferometría de línea de muy larga base, ha sido posible determinar su posición dentro de la galaxia anfitriona con una incertidumbre de unos pocos milisegundos de arco”, explica Ángela Gardini, investigadora del IAA-CSIC y una de las coautoras del trabajo. ”Su localización precisa y su cercanía, relativamente pequeña con respecto a otros FRB, lo convirtieron en un objetivo ideal para estudiar las condiciones físicas de su entorno”.
OBSERVACIONES CON EL INSTRUMENTO MEGARA
En un trabajo previo, los investigadores habían identificado la emisión persistente en la galaxia anfitriona de esta FRB, pero no habían podido medir la posición de la ráfaga con la precisión suficiente para asociar ambos fenómenos. “En este nuevo trabajo, llevamos a cabo una campaña a una resolución espacial que sí ha sido crucial para separar la fuente compacta de la débil emisión difusa”, explica Luigi Piro, investigador del INAF y miembro del equipo autor del artículo.
La campaña se complementó con observaciones en diferentes bandas con el interferómetro NOEMA y el instrumento MEGARA, situado en el Gran Telescopio Canarias (GRANTECAN), que resultaron determinantes. “Las observaciones obtenidas gracias al instrumento MEGARA alcanzaron una resolución comparable a la resolución radio del VLA, lo que permitió observar el entorno del FRB con un detalle nunca conseguido anteriormente y descubrir la presencia de una fuente de radio compacta – la burbuja de plasma de la FRB – se halla inmersa en una región de formación estelar”.
“El hecho de haber podido cartografiar la emisión de hidrógeno ionizado (trazador de formación estelar) con MEGARA hasta un nivel de gran detalle nos permitió calcular la tasa de formación estelar alrededor del FRB”, indica Angela Gardini. “El valor que obtuvimos resultó ser demasiado bajo para justificar la emisión de radio persistente observada que, por tanto, debía haber sido generada por una fuente compacta asociada al FRB y no por la formación estelar”, matiza la investigadora del IAA-CSIC.
El motor de la ráfaga
Esta investigación también ayuda a precisar la naturaleza del motor que alimenta estos misteriosas ráfagas. Según los nuevos datos, el fenómeno se basa en un magnetar (una estrella de neutrones fuertemente magnetizada) o en un sistema binario de rayos X de alta acreción, es decir, un sistema binario que consiste en una estrella de neutrones o un agujero negro que acreta material de una estrella compañera a tasas muy intensas. De hecho, los vientos producidos por el magnetar o el sistema binario de rayos X serían capaces de “soplar” la burbuja de plasma, dando lugar a la emisión de radio persistente. Por lo tanto, existe una relación física directa entre el motor de las FRBs y dicha burbuja, que se encontraría en su proximidad inmediata.
“Entender la naturaleza de la emisión persistente asociada a FRB20201124A permite añadir una pieza al rompecabezas sobre la naturaleza de estas misteriosas fuentes cósmicas”, concluye el primer autor del trabajo.
