El placer de descubrir

Título:  The Host Galaxy and Redshift of the Repeating Fast Radio Burst FRB 121102
Autores: Marusa Bradac, Diego Garcia-Appadoo, Kuang-Han Huang, Livia Vallini, Emily Quinn Finney, Austin Hoag, Brian C. Lemaux, Kasper Borello Schmidt, Tommaso Treu, Chris Carilli, Mark Dijkstra, Andrea Ferrara, Adriano Fontana, Tucker Jones, Russell Ryan, Jeff Wagg.
Institución del primer autor: McGill University,  Montreal, Canadá
Estado: Publicado en ApJLetters.

Imagen de portada: Radio Telescopio Karl G. Jansky Very Large Array // NRAO/AUI/NSF

Nada emociona más a los astrónomos que enfrentarse con un nuevo desafío dado por la naturaleza. El deseo y el placer que viene con revelar algo totalmente nuevo sobre cómo funciona nuestro universo es una motivación poderosa. Motivados por este deseo desde 2002, los astrónomos (tanto teóricos como observacionales) han estado trabajando duro para descubrir el origen físico de las “rápidas explosiones de radio” (FRBs, por “fast radio bursts”, en inglés). Como su nombre indica, las FRBs son eventos muy energéticos de corta duración (pocos ms) detectados en ondas de radio. Estas explosiones han sido conocidas por más de 8 años, pero el origen físico de estos destellos energéticos sigue siendo un misterio.

El primer evento conocido de una FRB se registró en 2001 y sólo se descubrió en 2007 utilizando datos archivados del Observatorio Parkes en Australia. Desde entonces, sólo 18 otros eventos han sido descubiertos usando radiotelescopios alrededor del mundo (Parkes en Australia, Arecibo en Puerto Rico y Green Bank en los Estados Unidos). De especial interés es la FRB llamado FRB 121102 descubierto por el radiotelescopio de Arecibo en 2014. La señal de radio detectada de FRB 121102 parece sugerir que la fuente es extragaláctica (los astrónomos pueden estimar la distancia a una fuente de radio midiendo lo que se llama dispersión. A medida que la onda de radio viaja por el espacio, las frecuencias más cortas interactúan más con los electrones libres, ocasionando que las ondas de alta frecuencia aparezcan en los detectores unos cientos de milisegundos antes de las de baja frecuencia), pero lo que hace FRB 121102 realmente especial es que la señal parece ser recurrente.
Desde el descubrimiento de su posible periodicidad el año pasado, esta FRB ha sido ampliamente estudiada con el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) (en lugar de observaciones con una antena parabólica única con el uso del telescopio de Arecibo) y la ubicación de la fuente se conoce con una precisión de 100 miliarcosegundos. La localización precisa de la fuente proporcionó la primera asociación inequívoca de una FRB con una contraparte óptica y persistente.

Conociendo la contraparte óptica (una galaxia enana en este caso) de esta FRB, el siguiente paso lógico sería estudiarla más a fondo con la esperanza de obtener algunas respuestas sobre estos peculiares y misteriosos eventos energéticos. Esto es exactamente lo que hicieron los autores del artículo de hoy. Para esta tarea los autores utilizaron datos del Telescopio Norte Gemini de 8 metros en Hawai’i. Con el observatorio de Gemini, la obtención de imágenes y la observación espectroscópica de la galaxia anfitriona se obtuvieron en octubre y noviembre del año pasado. El espectro cubre el rango de 465 a 890 nm, cubriendo así el espectro visible y el infrarrojo cercano (ver figura 1).

Figura 1. Espectro completo de FRB 121102 (el eje horizontal muestra la longitud de onda en angstroms). El espectro azul oscuro corresponde al espectro de la galaxia enana anfitriona. El rojo corresponde al espectro de una estrella de referencia en el mismo campo de visión, y el azul claro a la contribución del cielo. Las líneas de emisión prominentes están marcadas con su longitud de onda de marco de referencia de reposo. Estudiando la intensidad de las líneas de emisión y la relación entre ellas, los astrónomos pueden aprender mucho sobre la galaxia anfitriona de la FRB. Las barras horizontales negras denotan los rangos de longitudes de onda de los filtros utilizados para la obtención de imágenes.

Con el espectro obtenido los autores fueron capaces de identificar fuertes líneas de emisión de hidrógeno (llamadas líneas de Balmer, que representan la transición de un electrón al segundo estado de energía excitado desde un estado más energético) y líneas de oxígeno. El cambio Doppler en estas líneas de emisión (según la ley de Hubble, cuanto más lejos una fuente de luz más rápida esta se aleja de nosotros en un universo en expansión como el nuestro) permitió a los autores establecer una distancia a la fuente de alrededor de 900 Mpc o 3 mil millones de años luz. Este estimado confirma la distancia medida a partir de la dispersión observada en la señal de radio. Además de una confirmación de la distancia extragaláctica, con el espectro obtenido los autores pudieron analizar las propiedades de la contraparte óptica. Basándose en las líneas de emisión y la relación de las líneas de emisión, la contraparte óptica representa una galaxia enana de baja metalicidad y con alta formación estelar.

El hecho de que esta FRB esté en este tipo particular de galaxia enana podría proporcionar una pista de que este tipo de eventos de radio están relacionados con rayos gamma largos (long gamma ray burst en inglés) o supernovas superluminosas que también están asociados con este tipo de galaxias. Para confirmar esta hipótesis se necesita una localización más precisa usando la técnica interferometría en otras FRBs, pero si esta hipótesis resulta ser cierta podría ayudar a limitar las muchas teorías existentes para explicar la naturaleza de estas fuentes de radio. Tales explicaciones incluyen magnetares, núcleo galáctico activo (AGN, por sus siglas en inglés “active galactic nucleus”) y estrellas de neutrones. Aunque no concluyentes, las observaciones ópticas parecen desacreditar las explicaciones de AGN, y estar de acuerdo más con la interpretación de que estas explosiones podrían ser debido a remanentes de supernovas con una energética estrella de neutrones.

Esta nueva observación arroja algo de luz sobre la naturaleza de estos objetos misteriosos, pero sólo con más observaciones (y localización precisa) de otras FRBs en otras longitudes de onda como rayos X y rayos gamma se podrá tener una mejor idea de la física subyacente alimentando a estos poderosos, y quizás periódicos, eventos. Por lo tanto, parece que tanto los teóricos como los astrónomos de observación estarán ocupados por un buen tiempo tratando de entender la naturaleza de las FRB, por supuesto disfrutando mientras tanto del placer de descubrir.