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Las misteriosas ráfagas de radio, o destellos brillantes de ondas de radio de milisegundos de duración procedentes del espacio, han intrigado a los astrónomos desde la primera detección del fenómeno en 2007. Las enigmáticas señales, conocidas como FRB, liberan tanta energía en menos de un parpadeo como la que emite el Sol en un día.
Los investigadores siguen tratando de desentrañar qué son los pulsos celestes, así como cómo y dónde se producen. Telescopios especializados han permitido a los astrónomos rastrear ráfagas de radio dentro de la Vía Láctea, así como a una distancia de hasta 8.000 millones de años luz.
Ahora, cuatro nuevos estudios ofrecen respuestas sobre dónde se originan las ráfagas de radio, lo que podría arrojar luz sobre sus causas, pero las ubicaciones de dos ráfagas de radio descritas recientemente son muy diferentes.
Una de las ráfagas rápidas de radio parece proceder de un entorno caótico y magnéticamente activo cercano a un tipo de estrella de neutrones densa llamada magnétar.
En cambio, la otra ráfaga de radio, que los científicos observaron pulsar durante varios meses, procedía de las afueras de una galaxia lejana, muerta y hambrienta de estrellas.
Para descubrir ambas ráfagas, los investigadores utilizaron un aparato de caza de ráfagas de radio llamado Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME). El instrumento ha permitido detectar miles de FRB desde 2020.
Los orígenes dispares de las señales sugieren que los pulsos pueden tener distintas formas y originarse de diversas maneras.
“Este es un paso más cerca de desentrañar un profundo misterio cósmico”, dijo en un comunicado Ryan Mckinven, autor de los cuatro estudios. “Las FRB son omnipresentes, pero su verdadera naturaleza sigue siendo en gran parte desconocida. Cada descubrimiento que hacemos sobre sus orígenes abre una nueva ventana a la dinámica del universo”, agregó.
A medida que los científicos precisan más detalles sobre los diversos orígenes de las ráfagas de radio, más se acercan a la comprensión de lo que produce los pulsos en primer lugar.
En 2022, cuando CHIME detectó por primera vez una ráfaga de radio denominada FRB 20221022A, llamó la atención de un equipo internacional de investigadores. El radiotelescopio, formado por cuatro grandes receptores en forma de medio tubo, está situado cerca de Penticton, en la Columbia Británica.
La ráfaga duró solo 2,5 milisegundos y tuvo el mismo brillo que otras ráfagas de radio. Pero fue notable porque la luz emitida por el estallido estaba altamente polarizada, lo que significa que las ondas de radio se mueven en gran medida a lo largo de una trayectoria específica, en este caso, viajando de una manera que se asemejaba a una curva suave en forma de S.
El patrón de emisión de las ondas de radio sugería que el lugar que emitió el estallido estaba girando y recordó al equipo de investigación los magnetares, o estrellas de neutrones giratorias altamente magnetizadas que emiten ondas de radio. Los científicos llevan mucho tiempo teorizando que las estrellas de neutrones, restos de núcleos ultradensos que quedan tras la explosión de estrellas masivas, son el origen de ráfagas de radio.
Cuando el equipo rastreó las ondas de radio, descubrió que el estallido procedía de una galaxia situada a unos 200 millones de años luz. El equipo presentó los resultados del estudio en un informe publicado el 1° de enero en la revista Nature.
Pero los astrónomos querían ir un paso más allá y determinar la ubicación exacta de la señal de radio dentro de la galaxia. Los hallazgos, publicados en el mismo número de Nature, proporcionan un apoyo adicional a la idea de que una estrella de neutrones creó la ráfaga de radio.
En un intento por explicar cómo se forman las FRB, los científicos tienen dos teorías contrapuestas.
“Los modelos más populares sobre el origen de las estrellas de neutrones pueden dividirse en dos bandos: uno en el que la señal se forma en el entorno magnético de la estrella, y otro en el que ocurre mucho más lejos, impulsada por un choque lanzado desde la estrella”, explica Mckinven, autor principal del estudio que rastreó la FRB 20221022A hasta una galaxia y coautor del estudio complementario. Es investigador doctoral en el Departamento de Física de la Universidad McGill, de Montreal.
Para determinar qué escenario se aplicaba a FRB 20221022A, el equipo buscó el centelleo, o el efecto de brillo que se crea cuando la luz de un objeto pequeño y brillante, como una estrella, se filtra a través del medio interestelar, o gas, de una galaxia. Cuanto más pequeño o distante es un objeto, más centellea, explica la Dra. Kenzie Nimmo, autora principal del estudio complementario y becaria postdoctoral Kavli en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés).
“Descubrimos que esta FRB presenta un ‘centelleo’ similar al de las estrellas en el cielo nocturno (…) La observación de este centelleo indica que la región donde se originó la FRB debe ser increíblemente pequeña”, explica Nimmo.
El patrón de centelleo del estallido sugiere que se originó cerca de su fuente, en lugar de en una región más grande y distante que pertenecería a una onda de choque.
El equipo de Nimmo situó la explosión responsable del estallido en la magnetosfera, una zona magnéticamente activa situada a unos 10.000 kilómetros de una estrella de neutrones en rotación. Según los investigadores, esta distancia es menor que la que separa a Nueva York de Singapur.
Acercarse a esta pequeña región alrededor de una estrella desde 200 millones de años luz de distancia es “como poder medir la anchura de una hélice de ADN, que tiene unos 2 nanómetros de ancho, en la superficie de la Luna”, dijo en un comunicado Kiyoshi Masui, profesor asociado de física en el MIT. Masui fue coautor de ambos estudios en Nature.
“La FRB debe de proceder del entorno intensamente magnético que rodea a una estrella de neutrones, uno de los entornos más extremos del universo”, afirma Nimmo.
Este hallazgo es la primera vez que los astrónomos determinan que pueden generarse FRB en las inmediaciones de una estrella de neutrones, un objeto celeste con el campo magnético más intenso conocido. Los investigadores aún están tratando de averiguar cómo se produjo la explosión lejos del campo magnético de la estrella, que está llena de plasma denso, o gas altamente cargado.
“Alrededor de estas estrellas de neutrones altamente magnéticas, también conocidas como magnetares, no pueden existir átomos, ya que los campos magnéticos los destrozarían”, explica Masui. “Lo emocionante aquí es que descubrimos que la energía almacenada en esos campos magnéticos, cerca de la fuente, se retuerce y reconfigura de tal manera que puede liberarse en forma de ondas de radio que podemos ver a la mitad del universo”, agrega.
Medir y analizar el centelleo de las FRB en el futuro podría ser un método que los astrónomos utilicen para comprender mejor las FRB, dijo Nimmo.
Bing Zhang, distinguido profesor del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Nevada en Las Vegas, ha trabajado durante años en investigaciones que modelan los puntos de origen de las ráfagas de radio y ha visto muchos indicios observacionales que sugieren que las magnetosferas podrían ser una causa fundamental. Zhang no participó en ninguno de los nuevos estudios.
“Sin embargo, los resultados de centelleo presentados por Nimmo et al. proporcionaron una restricción directa sobre la escala de la región de emisión (…) presentando pruebas muy convincentes de que la emisión FRB proviene de la magnetosfera de un magnétar”, dijo Zhang en un correo electrónico.
Wen-fai Fong, un colaborador del CHIME que no participó en los dos estudios en Nature, dijo que cree que la investigación proporciona “la evidencia observacional más sólida hasta la fecha que demuestra que la emisión de una FRB se origina cerca de la superficie de la estrella de neutrones”.
“Sin embargo, hemos aprendido que al universo le gusta sorprendernos”, dijo Fong, profesor asociado de física y astronomía en el Colegio Weinberg de Artes y Ciencias de la Universidad Northwestern, en un correo electrónico. “Hemos encontrado una gran diversidad en la población, y podría ser que cada una sea su propio copo de nieve (único)”, añadió.
Y esa multiplicidad es exactamente lo que Fong y sus colaboradores descubrieron al estudiar otra ráfaga de radio.
Un equipo de astrónomos de la colaboración CHIME, incluidos los autores de los dos estudios en Nature, se sorprendió cuando una nueva ráfaga de radio, designada FRB 20240209A, estalló en febrero de 2024 y produjo 21 pulsos adicionales hasta julio. El estallido es objeto de dos estudios complementarios publicados el martes en The Astrophysical Journal Letters.
Seis de esos pulsos fueron detectados por un telescopio complementario situado a 66 kilómetros de CHIME. Estos (outrigger telescope, en inglés) son versiones más pequeñas de CHIME que pueden ayudar a los astrónomos a localizar con precisión un punto concreto del cielo nocturno en el que se origina una FRB.
El equipo rastreó la repetición de la ráfaga de radio hasta el borde de una galaxia de 11.300 millones de años de antigüedad situada a 2.000 millones de años luz de la Tierra. A continuación, los investigadores utilizaron telescopios de los observatorios W. M. Keck y Gemini de Hawai para descubrir más detalles sobre la antigua galaxia muerta en la que no se forman nuevas estrellas.
Según Tarraneh Eftekhari, autor principal de uno de los estudios y becario Einstein de la NASA en el Centro de Exploración Interdisciplinaria e Investigación en Astrofísica (CIERA, por sus siglas en inglés) de la Universidad Northwestern, “parece ser la galaxia más masiva que alberga una FRB hasta la fecha”.
“Se encuentra entre algunas de las galaxias más masivas que existen”, dijo.
Pero el seguimiento de FRB 20240209A hasta su origen mostró que la explosión se originó en las afueras de la galaxia, donde apenas existen estrellas, a unos 130.000 años luz del centro galáctico.
En un comunicado, Vishwangi Shah, autor principal del estudio complementario y estudiante de doctorado en física en la Universidad McGill, afirma: “Entre la población de FRB, esta FRB es la que se encuentra más lejos del centro de su galaxia anfitriona (…) Esto es sorprendente y emocionante, ya que se espera que las FRB se originen en el interior de las galaxias, a menudo en regiones de formación estelar. La ubicación de esta FRB tan lejos de su galaxia anfitriona plantea preguntas sobre cómo pueden producirse eventos tan energéticos en regiones donde no se están formando nuevas estrellas”.
Antes de esta revelación, los científicos solo habían rastreado una FRB hasta el borde de una galaxia. Descrita en febrero de 2022, la ráfaga de radio se encontró dentro de un cúmulo de estrellas, llamado cúmulo globular, en las afueras de la galaxia Messier 81, situada a 12 millones de años luz de la Tierra.
Fong, que también es miembro del CIERA, cree que FRB 20240209A podría ser un gemelo de ese evento, lo que obligaría a los astrónomos a replantearse dónde y cómo se forman las ráfagas de radio.
Según los autores del estudio, se han rastreado cerca de 100 estallidos en galaxias y la mayoría fueron causados por magnetares. Los magnetares suelen formarse cuando las estrellas gigantes explotan en una supernova de “colapso del núcleo” o cuando la gravedad provoca el colapso de una estrella sobre sí misma.
Pero FRB 20240209A podría proceder de un denso cúmulo de estrellas, donde es posible que los magnetares se formen debido a la fusión de dos estrellas de neutrones, o a una estrella enana blanca muerta que colapsa sobre sí misma, señalan los investigadores.
El equipo dirigido por Shah ha presentado una propuesta para utilizar el telescopio espacial James Webb en observaciones de seguimiento para ver si hay un cúmulo de estrellas cerca de donde se originó la FRB.
“Este descubrimiento nos dice que quizá no todas las FRB procedan de estrellas jóvenes, y que tal vez haya múltiples formas de que se produzcan estas señales”, dijo Eftekhari. “Tal vez haya una subpoblación de estos eventos que proceden de sistemas más antiguos”, agregó.
Comprender que las ráfagas de radio pueden tener orígenes diversos es solo la punta del iceberg que podría ayudar a los astrónomos a entender mejor lo que consideran uno de los fenómenos más misteriosos del universo.
“Está claro que aún queda mucho por descubrir en relación con las FRB, y que su entorno podría ser la clave para desvelar sus secretos”, afirma Eftekhari.
Las mejoras en la tecnología de detección de las FRB y la incorporación de telescopios de largo alcance permitirán detectar y rastrear aún más estallidos en el futuro, lo que podría revelar patrones y ayudar a determinar si la repetición de los destellos se produce en tipos específicos de galaxias, señaló Eftekhari.
La nueva investigación arroja más luz sobre las causas de las ráfagas de radio y dónde se producen, dijo Zhang.
“La cuestión del ‘cómo’ es más difícil y necesita mucho más trabajo por parte de los teóricos para abordarla”, dijo.
