El GTC ayuda a resolver el enigma de algunos de los estallidos de radio más poderosos del Universo

Descubiertas hace poco más de una década, las ráfagas rápidas de radio (FRBs, por sus siglas en inglés) emiten pulsos que duran milisegundos y que liberan una cantidad inmensa de energía en el rango de las ondas de radio, lo que las convierte en uno de los 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.

En algunos casos, el breve destello de una FRB se acompaña de una emisión persistente de radio más débil. Ahora, un equipo internacional, liderado por el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia (INAF) y con la participación del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), ha demostrado que esta radiación persistente se origina en una burbuja de plasma, proporcionando nueva información sobre la naturaleza de estos misteriosos fenómenos cósmicos.

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 primeras observaciones se realizaron con el radiotelescopio Very Large Array (VLA) en los Estados Unidos. Los datos permitieron al equipo científico 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 detectada 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”, añade.

Se da la peculiaridad que FRB 20201124A es un evento recurrente, algo poco común, ya que solo alrededor del 10 % de las cerca de 800 ráfagas rápidas de radio 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, 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 MEGARA en el GTC

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. Para este nuevo trabajo, el equipo ha llevado a cabo una campaña de observación en diferentes bandas que ha resultado crucial para separar la fuente compacta de la débil emisión difusa.

En concreto, resultaron determinantes las observaciones realizadas con el interferómetro NOEMA, situado en Plateau de Bure, en los Alpes franceses, y el instrumento MEGARA del Gran Telescopio Canarias (GTC o Grantecan), ubicado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM), en La Palma.

“Las observaciones obtenidas gracias al instrumento MEGARA alcanzaron una resolución comparable a la resolución en 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, que se halla inmersa en una región de formación estelar”, señala Romano Corradi, director de Grantecan. “Estos resultados son un claro ejemplo de cómo la combinación de la gran área colectora de GTC, el telescopio óptico e infrarrojo más grande del mundo, junto con las capacidades de sus instrumentos nos están aportando resultados extraordinarios que mejoran nuestro conocimiento del Universo”, añade.

La investigación también ha ayudado a precisar la naturaleza del motor que alimenta estas 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 tipo de binaria en el que una estrella de neutrones o un agujero negro “roba” materia 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, lo que demuestra la existencia de una relación física directa entre el motor de las FRB y la 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 Bruni.

Artículo:  Bruni, Gabriele et al. “Nebular origin for the persistent radio emission of fast radio bursts’“, Nature 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07782-6