El misterio del origen de los FRBs: Nuevas pistas para resolverlo

• Título: The Host Galaxy and Redshift of the Repeating Fast Radio Burst FRB 121102
• Autores: Shriharsh P. Tendulkar, Cees Bassa, James M. Cordes, et al.
• Institución del primer autor: McGill University, Montréal, QC, Canada.
• Estatus: Publicado en ApJ Letters.

Las ráfagas rápidas de radio (FRBs por sus siglas en inglés) son un misterio de la Astronomía moderna que aún no podemos resolver. Principalmente, no sabemos de dónde provienen, por qué o qué los produce, ni cuándo van a ocurrir. Como se explica en un astrobito anterior, son pulsos brillantes transitorios en radio que no duran más que unos pocos milisegundos. Hasta la fecha, 18 de estos eventos han sido detectados, y la mayor parte de ellos fue observado por el telescopio Parkes, en Australia.

La localización de la fuente que los origina ha producido resultados ambiguos, ya que todos los FRBs han sido observados con radio telescopios de un solo plato (o antena), que tienen una precisión del orden de los arcominutos (insuficiente para poder hallar una fuente de origen con certeza). Se han observado ráfagas de radio repetidas para el FRB 121102, que fue observado con el radio telescopio Arecibo. Estas ráfagas de radio parecen provenir de la misma fuente, lo que plantea una nueva interrogante: ¿Es el FRB 121102 especial, o los otros telescopios no tienen la sensibilidad para detectar la repetición de las ráfagas?

El artículo de hoy nos habla del estudio de FRB 121102 en las longitudes de onda ópticas con imágenes, y con espectroscopía del telescopio Gemini Norte de 8 metros (Figura 1) para poder encontrar la galaxia que lo aloja así obtener pistas sobre su origen su origen.

Figura 1: Imágenes ópticas y en radio de FRB121102 tomadas para un estudio previo. El panel a) corresponde a las imágenes tomadas con el radiotelescopio VLA. Las detección hechas con Arecibo están marcadas con círculos blancos, mientras que el cuadrado corresponde a la contraparte en el radio detectada con el VLA. El panel b) es la imagen tomada por Gemini en la banda r del tamaño del cuadrado en a). Crédito: Figura 2 de Chatterjee et al. (2017)

Observaciones

Las imágenes ópticas para este estudio fueron tomadas con el Sloan Digital Sky Survey (SDSS), durante tres días en Octubre y Noviembre y las observaciones espectroscópicas fueron hechas en Noviembre con el instrumento GMOS (Gemini Multi-Object Spectrograph). Debido a lo tenue de la fuente en la posición del FRB en la longitud de onda óptica, se debieron aplicar técnicas de reducción y limpieza para poder extraer un espectro, el que vemos en la Figura 2. El objeto que se observa en azul corresponde a la contraparte del FRB 121102 observada con GMOS. Como se ve, muestra una emisión continua débil, además de cuatro líneas de emisión fuertes: H alfa, H beta y el doblete [OIII], lo que indica que este objeto es una galaxia a redshift 0.19273 con formación estelar. También se pueden observar otras líneas de emisión menos pronunciadas, como [SII], mientras que la líneas de [NII] y [OI] no se observan, lo que pone un límite superior en su flujo.

Figura 2: Espectro del objeto contraparte óptica del FRB. El espectro en azul corresponde a la galaxia observada. Muestra una emisión continua débil y líneas de emisión fuertes. Crédito: Figura 1 del artículo.

Modelo de la galaxia huésped

Calculando la razón entre ciertas líneas de emisión se pueden clasificar galaxias con alta tasa de formación estelar o una galaxia de núcleo activo (AGN, por sus siglas en inglés). En este caso se usó el diagrama BPT (explicado en un astrobites), que compara los ratios entre [NII]/Hα y [OIII]/Hβ y se encontró que la galaxia está formando estrellas, pero no es una AGN, uno de los candidatos a contrapartes de las FRBs.

Según las observaciones y los modelos probados, se concluye que es una galaxia con menos de 4 kilopársec de diámetro y una magnitud de -17, que es tenue, lo que la convierte en una galaxia enana. Sus propiedades son similares a las de galaxias con líneas de emisión extremas (EELGs, por sus siglas en inglés), galaxias de brote estelar, jóvenes.

Para FRB 121102 se tienen datos de emisión en radio y en las longitudes de onda óptica, pero no se detectó emisión en la longitud milimétrica ni de rayos-X. Las propiedades en radio son consistentes con un AGN de baja luminosidad, o un remanente de supernova joven (con menos de 1000 años) encendida por una estrella de neutrones de alta energía. Sin embargo, las propiedades ópticas de la galaxia encontrada en el artículo no concuerdan con la teoría del AGN debido a las mediciones de las líneas de emisión, ya que existen AGNs de baja luminosidad sin líneas características en el óptico, pero sus masas son mayores. También notamos que la fuente de las ráfagas de radio está desfasada del centro de la galaxia, a una distancia de 0.5–1 kpc, que equivale a aproximadamente un cuarto o la mitad del radio de la galaxia, lo que no sería consistente con un AGN, donde esto ocurriría en el centro. Más aún, las asociaciones de AGNs con galaxias enanas son extremadamente escasas. Todo esto le quita sustentabilidad a la teoría que involucra los AGNs.

La combinación de una fuente compacta de radio, la ausencia de emisión de rayos X, líneas de emisión de formación estelar abundante y la inexistencia de líneas anchas de emisión en el óptico no están presentes en ningún tipo de galaxia que conozcamos.

La alta formación estelar es consistente con la presencia de una supernova joven o un cúmulo de estrellas jóvenes y masivas, lo que favorecería la idea de que los FRBs están ligados las estrellas de neutrones.

Otros casos y el futuro

FRB 121102 es el único de estos objetos cuya galaxia en donde se produce ha sido directamente identificada hasta ahora. Es interesante que ésta es una galaxia enana de baja metalicidad, a diferencia de una galaxia con muy alta formación estelar o un poderoso AGN. También es interesante el hecho de que las galaxias enanas corresponden a una pequeña fracción de la masa estelar del Universo. El FRB 150807 también se cree que está ligado a una galaxia de baja masa. Sin embargo, otro FRB (110523) sugiere la presencia un plasma magnetizado turbulento alrededor de la fuente. Esto sugeriría que cada FRB puede tener alrededores diferentes.

Si este estudio es representativo y los FRBs sí están ligados a galaxias enanas a bajo redshift, no serían los primeros tipos de eventos transientes de alta energía; también las explosiones de rayos Gamma de larga duración y las supernovas superluminosas suceden en galaxias de baja masa y metalicidad, y alta formación estelar. De hecho, las supernovas superluminosas están preferentemente situadas en galaxias EELGs. Si esta relación es cierta, puede existir un link entre los FRBs y estrellas extremadamente masivas como progenitoras, extendiéndose, probablemente, a magnetares (un tipo de estrella de neutrones alimentada con un campo magnético extremadamente fuerte) que han sido asociados con este tipo de galaxias también.

Obviamente, todas estas conclusiones son basadas en un solo dato, por lo que pueden no ser representativas de los FRBs en general. Por ahora, vemos que se empieza a resolver el misterio, pero queda mucho camino por recorrer.