Observan una ráfaga de radio rápida repetida desde una Galaxia espiral

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Imagen de la galaxia anfitriona del Fast Radio Burst (FRB) 180916.J0158 + 65 como se ve con el telescopio Gemini-North. The … [más]
© B. Marcote et al, Nature 2020

Berlín, Alemania, Europa.- El radiotelescopio Effelsberg de 100 m participó en la Red Europea VLBI (EVN) para observar una ráfaga de radio rápida (FRB) y ayudó a identificar el FRB a una galaxia espiral similar a la nuestra. Un aspecto crucial de este trabajo fue la sensibilidad del telescopio Effelsberg y su instrumento pulsátil flexible que ayudó a la rápida localización por radio. Este FRB es el más cercano a la Tierra que se haya localizado y se encontró en un entorno radicalmente diferente al de estudios anteriores. El descubrimiento, una vez más, cambia las suposiciones de los investigadores sobre los orígenes de estos misteriosos eventos extragalácticos.

Los resultados se informan en la edición actual de la revista Nature por un equipo internacional de científicos, incluido Ramesh Karuppusamy, del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania.

Uno de los mayores misterios en astronomía en este momento es el origen de breves y dramáticas ráfagas de luz de radio vistas en todo el universo, conocidas como Fast Radio Bursts o FRBs. Aunque duran solo una milésima de segundo, ahora hay cientos de registros de estas fuentes enigmáticas. Sin embargo, a partir de estos registros, se conoce la ubicación precisa de solo cuatro FRB: se dice que están “localizados”.

En 2016, se observó que una de estas cuatro fuentes se repetía, con explosiones que se originaban en la misma región en el cielo de una manera no predecible. Esto dio como resultado que los investigadores establecieran distinciones entre los FRB donde solo se observó un solo estallido de luz (“sin repetición”) y aquellos donde se observaron múltiples ráfagas de luz (“repetición”).

“Los múltiples destellos que presenciamos en la primera repetición de FRB surgieron de condiciones muy particulares y extremas dentro de una galaxia muy pequeña (enana)”, dice Benito Marcote, del Instituto Conjunto de VLBI ERIC, el autor principal del estudio actual. “Este descubrimiento representó la primera pieza del rompecabezas, pero también planteó más preguntas de las que resolvió, como si existía una diferencia fundamental entre los FRB repetitivos y no repetitivos. Ahora, hemos localizado un segundo FRB repetitivo, que desafía nuestras ideas anteriores sobre cuál podría ser la fuente de estas explosiones ”.

El 19 de junio de 2019, ocho telescopios de la Red Europea VLBI (EVN) observaron simultáneamente una fuente de radio conocida como FRB 180916.J0158 + 65. Esta fuente fue descubierta originalmente en 2018 por el telescopio CHIME en Canadá, lo que permitió al equipo realizar una observación de muy alta resolución con el EVN en dirección a FRB 180916.J0158 + 65. Durante cinco horas de observaciones, los investigadores detectaron cuatro ráfagas, cada una de las cuales duró menos de dos milésimas de segundo. La resolución alcanzada a través de la combinación de los telescopios en todo el mundo, utilizando una técnica conocida como Interferometría de línea de base muy larga (VLBI), significaba que las ráfagas podían localizarse con precisión en una región de aproximadamente solo siete años luz de diámetro. Esta localización es comparable a que un individuo en la Tierra pueda distinguir a una persona en la Luna.

El radiotelescopio Effelsberg de 100 m del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) desempeñó un papel crucial en estas observaciones de dos maneras. Con los instrumentos flexibles en este telescopio, uno podría registrar datos susceptibles de identificación rápida de ráfagas de radio y una forma de datos adecuada para imágenes de radio de alta resolución. En segundo lugar, la gran área de recolección del telescopio lo convierte en un elemento indispensable en las observaciones interferométricas coordinadas de fuentes débiles como este FRB.

Con la posición precisa de la fuente de radio, el equipo pudo realizar observaciones con uno de los telescopios ópticos más grandes del mundo, el Gemini North de 8 m en Mauna Kea en Hawai. Examinar el entorno alrededor de la fuente reveló que las explosiones se originaron en una galaxia espiral llamada SDSS J015800.28 + 654253.0, ubicada a 500 millones de años luz de la Tierra. Las explosiones provienen de una región de esa galaxia donde la formación de estrellas es prominente.

“La ubicación encontrada es radicalmente diferente del FRB repetitivo previamente localizado, pero también es diferente de todos los FRB estudiados previamente”, explica Kenzie Nimmo, estudiante de doctorado en la Universidad de Amsterdam. “Las diferencias entre ráfagas de radio rápidas repetidas y no repetidas son, por lo tanto, menos claras y creemos que estos eventos pueden no estar vinculados a un tipo particular de galaxia o entorno. Puede ser que los FRB se produzcan en un gran zoológico de ubicaciones en todo el Universo y solo requieren algunas condiciones específicas para ser visibles ”.

“Con la caracterización de esta fuente, el argumento contra la emisión de púlsar como origen para repetir FRBs está ganando fuerza”, dice Ramesh Karuppusamy del MPIfR, coautor del estudio. “Estamos al borde de más localizaciones de este tipo producidas por los próximos telescopios más nuevos. Estos finalmente nos permitirán establecer la verdadera naturaleza de estas fuentes ”, agrega.

Si bien el estudio actual arroja dudas sobre suposiciones anteriores, este FRB es el más cercano a la Tierra que se haya localizado, lo que permite a los astrónomos estudiar estos eventos con un detalle incomparable.

“Esperamos que los estudios continuos revelen las condiciones que resultan en la producción de estos misteriosos flashes. Nuestro objetivo es localizar con precisión más FRB y, en última instancia, comprender su origen ”, concluye Jason Hessels, autor correspondiente del estudio, del Instituto Holandés de Radioastronomía (ASTRON) y la Universidad de Amsterdam.

Por qué es importante la localización Fast Radio Burst
Si bien las ráfagas de radio rápidas (FRB) son un misterio en sí mismas, su estudio podría acercar a los astrónomos a la comprensión del Universo. En la cosmología moderna, una pregunta importante es cómo se formaron las estructuras en todas las escalas. Existen simulaciones computacionalmente costosas para abordar estas preguntas, pero sus resultados dependen en gran medida de las condiciones asumidas en el Universo temprano. Los resultados de tales simulaciones deben compararse con las observaciones reales para determinar si las simulaciones proporcionan respuestas precisas. Esto es problemático ya que la mayoría de la materia distribuida dentro de las galaxias es invisible.

Sin embargo, los FRB pueden ofrecer una solución elegante a este problema en el futuro. Los pulsos cortos de los FRB están “dispersos”, por lo que a longitudes de onda más largas el pulso llega a la Tierra un poco más tarde que a longitudes de onda más cortas. Este retraso de tiempo se puede medir con mucha precisión, y es una estimación indirecta de la cantidad de material entre la fuente y la Tierra. Si se encuentran miles de FRB, en todas las direcciones, será posible mapear la distribución de la materia en todo el universo. Sin embargo, para obtener la verdadera distribución tridimensional de la materia en el espacio, los astrónomos también necesitan conocer la distancia de cada FRB desde la Tierra.

Cómo localizar una ráfaga de radio rápida
En la mayoría de las búsquedas de FRB, se utiliza un solo radiotelescopio para identificar la región aproximada de la que se origina el FRB. Sin embargo, el uso de observaciones de radio de muy alta resolución a través de la interferometría de línea de base muy larga (VLBI) adopta un enfoque novedoso.

Actualmente, la red europea VLBI (EVN) es el único conjunto VLBI que es lo suficientemente sensible como para estudiar FRB. Al hacerlo, los astrónomos pueden determinar tanto la galaxia anfitriona como el entorno local inmediato de la FRB. Al determinar la galaxia anfitriona, los astrónomos pueden usar observaciones ópticas para analizar la luz proveniente de la galaxia y esto se puede usar para determinar su distancia de la Tierra. Estudiar los entornos en los que se producen FRB es la clave para comprender cómo se pueden producir estas explosiones y qué objetos extragalácticos están asociados con ellas.

“A medida que continuamos desentrañando el misterio de los FRB, los astrónomos deben poder estudiar estas fuentes con increíble detalle. La sensibilidad combinada de los telescopios en el EVN actualmente brinda una oportunidad única para observar estos eventos y esperamos que las observaciones continuas contribuyan a nuestra comprensión de estas fuentes enigmáticas ”, dice Francisco Colomer, Director del Instituto Conjunto de VLBI ERIC.

Institutos y telescopios involucrados
Institutos involucrados Las observaciones se realizaron con la Red Europea de Interferometría de Línea de Base Muy Larga (EVN). El EVN es la matriz de interferometría de línea de base muy larga (VLBI) más sensible del mundo, lo que permite a los investigadores realizar observaciones de radioastronomía únicas, de alta resolución y de alta resolución. Los datos de la EVN se procesan en el Instituto Conjunto para VLBI ERIC (JIVE), una infraestructura de investigación internacional con sede en los Países Bajos, que también brinda apoyo, realiza investigaciones líderes y desarrolla el desarrollo técnico en el campo de la radioastronomía.

En esta observación participaron un total de ocho antenas del EVN: Jodrell Bank Mark2 de 25×38 m, Universidad de Manchester (Reino Unido), Westerbork de un plato de 25 m, ASTRON (Países Bajos), Effelsberg de 100 m, Instituto Max Planck para Radio Astronomía (Alemania), 32-m Medicina, Instituto Nacional de Astrofísica (Italia), 25-m Onsala, Onsala Space Observatory (Suecia), 32-m Toruń, Nicolaus Copernicus University (Polonia), 32-m Irbene, Ventspils Centro Internacional de Radioastronomía (Letonia), y Tianma de 65 m, Academia de Ciencias de China (China).

Se realizaron observaciones ópticas de seguimiento utilizando Gemini North de 8.1 m, el Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Infrarroja Óptica de la Fundación Nacional de Ciencias y la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (EE. UU.).

Los autores del presente estudio comprenden B. Marcote, K. Nimmo, JWT Hessels, SP Tendulkar, CG Bassa, Z. Paragi, A. Keimpema, M. Bhardwaj, R. Karuppusamy, VM Kaspi, CJ Law, D. Michilli, K. Aggarwal, B. Andersen, AM Archibald, K. Bandura, GC Bower, PJ Boyle, C. Brar, S. Burke-Spolaor, BJ Butler, T. Cassanelli, P. Chawla, P. Demorest, M. Dobbs, E. Fonseca, U. Giri, DC Bueno, K. Gourdji, A. Josephy, A. Yu. Kirichenko, F. Kirsten, T. L. Landecker, D. Lang, T. J. W. Lazio, D. Z. Li, H.-H. Lin, J. D. Linford, K. Masui, J. Mena-Parra, A. Naidu, C. Ng, C. Patel, U.-L. Pen, Z. Pleunis, M. Rafiei-Ravandi, M. Rahman, A. Renard, P. Scholz, S. R. Siegel, K. M. Smith, I. H. Stairs, K. Vanderlinde y A. V. Zwaniga con Ramesh Karuppusamy como coautor de MPIfR.

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