Astronomía de rayos  Fotones con energías mayores a 512 keV, que llegan hasta los cientos de TeV. Esto equivale a temperaturas enormes, del orden de 5,000 millones de K y más. ¿Cómo detectarlos? ¿Qué fenómenos astronómicos los producen?

Máscara aleatoria para IBIS- INTEGRAL

Fuentes de Rayos  Hoyos Negros Núcleos Activos de Galaxias Pulsares Supernovas Destellos de Rayos  Objetos Extendidos Sin identificar

CGRO ( )

Arthur Holly Compton Premio Nobel por el efecto Compton Primera prueba experimental de la dualidad partícula- onda de la luz

OSSE

La Región del Centro Galáctico

Emisión de 512 keV Aniquilación electrón-positrón

COMPTEL

26 Al COMPTEL sky map Decaimiento de Núcleos Radioactivos

EGRET

Halo de Alta Energía Alrededor de la Vía Láctea

Muchas de estas fuentes producen los rayos gamma así: En choques se aceleran electrones y protones a velocidades relativistas (mecanismo de Fermi). Los protones al chocar entre sí producen partículas (  que decaen emitiendo rayos gamma. Los electrones, mediante la dispersión inversa de Compton pueden “subir” la energía de fotones ya disponibles en el medio.

Compton Inverso E emitted ~ γ 2 E incident Higher-energy photon Low-energy photon

BATSE

Destellos de Rayos 

Destellos de rayos gamma Laurent Loinard y Luis F. Rodríguez Centro de Radioastronomía y Astrofísica de Morelia Universidad Nacional Autónoma de México 6 a Escuela de Verano en Astrofísica (2009) Morelia, Michoacán Junio 2009 Información complementaria: a.html

eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos) emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma) ¿Qué son los destellos de rayos gamma? Black body temperature (K)

eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos) emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma) ¿Qué son los brotes de rayos gamma?

eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos) emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma) ¿Qué son los brotes de rayos gamma? Morfología de nuestra galaxia:

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eventos muy breves (fracciones de segundo hasta unos minutos) emisión de fotones de muy alta energía (rayos gamma) muy intensos (pueden ser tan brillantes como todo el resto del cielo gamma) descubiertos accidentalmente hace 35 años impredecibles, pero numerosos… los de corta duración todavía bastante misteriosos (hay varias teorías…) muy estudiados (en 2002/03, 3% de todas las publicaciones astronómicas) ¿Qué son los destellos de rayos gamma?

Plan de la plática: Historia del descubrimiento Propiedades Origen, procesos de formación Especificidad e interés astronómico Futuro Destellos de rayos gamma

Producción de rayos gamma en la naturaleza: fenómenos muy energéticos, como… Las bombas atómicas empezaron a construirse en los años 1940 y 1950 (Los Álamos, etc.); durante esos años, las pruebas se hacían al aire libre (en el desierto de Arizona, la isla de Bikini, etc.) Al final de los años 1950 y el inicio de los años 1960, los peligros de la radioactividad para la salud empezaron a conocerse; en 1963 se firmó el primer tratado limitado de prohibición de pruebas atómicas (Partial Test Ban Treaty) en el atmósfera, bajo el agua, y en el espacio. De inmediato (en octubre del 1963), el ejército norteamericano (US Air Force) inició un programa para verificar que la Unión Soviética cumpliera con este tratado. El programa consistía en una serie de satélites llamados VELA (del español velar, vigilar) equipados con detectores de rayos X, rayos gamma y neutrones. Los satélites eran enviados en pares, en órbita exactamente opuesta (para no dejar ninguna parte de la Tierra invisible), con un diámetro de 250,000 km (período de más o menos 4 días). Seis series de satélites ( VELA 1 a VELA 6) fueron enviados, con niveles de sofisticación cada vez más altos. A partir de VELA 4, la resolución temporal de los instrumentos era suficiente para estimar la dirección de origen de la emisión usando métodos de triangulación (diferencia de tiempo entre la detección en los dos satélites).

Producción de rayos gamma en la naturaleza: fenómenos muy energéticos, como… Las bombas atómicas empezaron a construirse en los años 1940 y 1950 (Los Álamos, etc.); y durante esos años, las pruebas se hacían al aire libre (en el desierto de Arizona, la isla de Bikini, etc.) Al final de los años 1950 y el inicio de los años 1960, los peligros de la radioactividad para la salud empezaron a conocerse; en 1963 se firmó el primer tratado limitado de prohibición de pruebas atómicas (Partial Test Ban Treaty) en el atmósfera, bajo el agua y en el espacio. De inmediato (en octubre del 1963), el ejército norteamericano (US Air Force) inició un programa para verificar que la Unión Soviética cumpliera con este tratado. El programa consistía en una serie de satélites llamados VELA (del español velar, vigilar) equipados con detectores de rayos X, rayos gamma y neutrones. Los satélites eran enviados en pares, en órbita exactamente opuesta (para no dejar ninguna parte de la Tierra invisible), con una diámetro de 250,000 km (período de más o menos 4 días). Seis series de satélites ( VELA 1 a VELA 6) fueron enviados, con niveles de sofisticación cada vez más altos. A partir de VELA 4, la resolución temporal de los instrumentos era suficiente para estimar la dirección de origen de la emisión usando métodos de triangulación (diferencia de tiempo entre la detección en los dos satélites). más tarde más temprano

Primeras detecciones de brotes de rayos gamma Hasta 1967, los satélites VELA no registraron ningún evento (afortunadamente para la humanidad). A partir de 1967, con el aumento de la sensitividad de los detectores X y gamma, empezó a haber detecciones de emisión gamma. Sin embargo, estas emisiones no tenían las características esperadas de explosiones nucleares en la Tierra. Por ejemplo, la emisión esperada de una explosión de bomba atómica tiene la mayor parte de su energía en los rayos X, mientras que las emisiones detectadas por las misiones VELA parecían tener su pico en los rayos gamma. Además, en la mayoría de los casos, el mismo brote se detectaba con los dos satélites (no podían venir de la Tierra)… Finalmente, en 1973  6 años después de la primera detección-, Ray Klebesadel (responsable del programa VELA en Los Álamos) y sus colegas Ian Strong y Roy Olsen publicaron en el Astrophysical Journal la lista de los 16 brotes que se había detectado hasta entonces con las misiones VELA 5 y VELA 6 (con una estimación de posición). En parte porque no era lo que buscaban, en parte por razones de seguridad nacional, y en parte porque no entendían bien de lo que se trataba, los científicos del ejército norteamericano no hicieron mucho sobre estas emisiones de rayos gamma, y no anunciaron su descubrimiento al resto del mundo hasta mucho después. Hasta 1972, solamente archivaban todos los eventos con sus características para verlos después. Con el lanzamiento al espacio de VELA 5 (1969), que tenía la resolución temporal suficiente para estimar la dirección de origen de las emisiones, se confirmó que no venían de la Tierra. También se supo que no venían del Sol, ni del Sistema Solar, porque no había una concentración de brotes en el plano de la eclíptica (donde están la Tierra y los otros planetas).

Primeras detecciones de destellos de rayos gamma

Adolescencia del estudio de los destellos de rayos gamma ( ) En 1973, Wheaton et al. fueron los primeros en confirmar con datos de otros satélites la existencia de los brotes de rayos gamma (usaron detectores de rayos X, en instrumentos principalmente para estudiar el Sol). También confirmaron que los brotes venían de objetos fuera del Sistema Solar y que el pico de emisión era en los rayos gamma (no era la cola de emisión de un proceso principalmente visible en rayos X). Rápidamente, la comunidad astronómica se dio cuenta de que si los satélites VELA, que no eran muy sensibles (fueron diseñados para ver explosiones poderosas y cercanas: bombas atómicas en la Tierra), pudieron ver 16 eventos en 5 años, estos eventos tenían que ser muy frecuentes. Frente a este descubrimiento, la comunidad astronómica se puso muy excitada y activa. En sólo algunos meses después de la aparición del articulo de Klebesadel et al., salió un número impresionante de artículos teóricos que proponían interpretaciones. ¿Entonces, cuál son los posibles orígenes de los destellos de rayos gamma?

Black body temperature (K) ¿Emisión térmica? No puede ser emisión térmica porque no hay cuerpos con T  3 K (fondo cósmico). La emisión de radio cósmica es de origen ciclotrón, sincrotón, libre-libre, etc.. No puede ser emisión térmica porque no hay cuerpos tan calientes… Emisión térmica

¿Destellos de rayos gamma como supernovas? Aspecto energético… Los instrumentos a bordo de satélites (o conectados a telescopios terrestres) miden flujos, es decir la cantidad de energía que entra en cada cm 2 de detector. Si son objetos fuera de la Vía Láctea, los destellos de rayos gamma tienen que ser brillantísimos..  ¡¡¡Tienen que ser los objetos (conocidos) más brillantes de todo el universo!!! No son supernovas, son hipernovas…

Producción de rayos gamma: 1/ Efecto Compton… Cuando partículas relativistas (con velocidad cercana a la de la luz) entran en colisión con fotones de baja energía (fotones IR, visibles o UV, por ejemplo), pueden transferir una parte de su energía a los fotones y transformarlos en rayos gamma. En el universo, eso puede ocurrir principalmente dentro de un disco de acreción alrededor de un objeto compacto, como un hoyo negro o una estrella de neutrones (los remanentes de las estrellas masivas). La teoría alternativa a las hipernovas era, entonces, que los brotes de rayos gamma ocurren a través del efecto Compton, cuando material cae encima (o dentro) de un objeto compacto (principalmente estrellas de neutrones), de manera episódica. Este escenario era posiblemente aun más atractivo que el de las hipernovas, porque a/ también explica de manera natural por qué son brotes. b/ sabemos que hay muchos sistemas binarios con un objeto compacto en la Vía Láctea. c/ no se necesita un proceso tan energético.

¿Brotes de rayos gamma como sistemas binarios? Aspecto energético… 1/ Como hay muchos sistemas con objetos compactos en nuestra Galaxia, la mayoría de los brotes de rayos gamma serían mucho más cercanos que en el caso de hipernovas. El flujo observado implicaría entonces una luminosidad intrínseca mucho más pequeña. 2/ Podrían no ser isotrópicos: la ley en r - 2 no sería válida… Esta teoría alternativa también hace una predicción: la mayoría de los brotes deberían estar asociados con la Vía Láctea. Su distribución, entonces, debería tener la misma morfología que la Vía Láctea.

Situación al final de los años 80… Descubrimiento en 1973, rápidamente confirmado, de la existencia de los brotes de rayos gamma. Comprensión de que eran fenómenos realmente gamma, no la cola de alta energía de un fenómeno a frecuencias más bajas. Comprensión también de que eran muy comunes (si un pequeño instrumento como VELA podía ver 16 en 5 años, un instrumento poderoso debería ver cientos cada año). Provocaron una mini-revolución dentro de la comunidad (alrededor de 2000 artículos fueron escritos sobre ellos entre 1973 y 1991)… Sin embargo, no había consenso ni mucho menos… Literalmente cientos de teorías fueron propuestas para explicarlos. Se pueden agrupar en dos clases relativamente bien definidas: Supernovas (hipernovas)Sistemas binarios compactos/ efecto Compton

BATSE/GRO Solución del dilema: tener un instrumento capaz de medir relativamente bien la posición de unos miles de brotes de rayos gamma… En 1991, NASA lanzó el satélite GRO (Gamma Ray Observatory), equipado con varios instrumentos. Uno de estos instrumentos (BATSE, por Burst And Transient Source Experiment) estaba diseñado precisamente para la detección de brotes de rayos gamma y su localización en el cielo. BATSE inmediatamente empezó a detectar brotes de rayos gamma. En 1 año, aproximadamente 250 brotes habían sido detectados. Su distribución en el cielo era:

BATSE/GRO Solución del dilema: tener un instrumento capaz de medir relativamente bien la posición de unos miles de brotes de rayos gamma… En 1991, NASA lanzo el satelite GRO (Gamma Ray Observatory), equipado con varios instrumentos. Uno de estos instrumentos (BATSE, por Burst And Transient Source Experiment) estaba diseñado precisamente para la detección de brotes de rayos gamma y su localización en el cielo. BATSE inmediatamente empezó a detectar brotes de rayos gamma. En 1 año, aproximadamente 250 brotes habían sido detectados. Su distribución en el cielo era: Después de 8 años (y 2,500 detecciones), la situación era aun más clara:

La respuesta a la pregunta: Brotes extragalácticosBrotes galácticos ó? ¿ es

Mala respuesta… (no le gustó a la comunidad) La mayoría de la comunidad que trabajaba en este campo pensaba que iba a ser al revés… Poner los brotes afuera de la Vía Láctea implicaba que eran difícilmente explicables, por la energía que requerían.. Había evidencia de que algunos de los brotes tenían líneas espectrales (en rayos X), lo que indicaba un campo magnético muy fuerte  una propiedad común de las estrellas de neutrones, que también tienen estas líneas. También había evidencia de que algunos de los brotes se repetían: varias veces, brotes parecían venir de la misma dirección del cielo. Eso se esperaría en caso de un origen en estrellas de neutrones Galácticas, pero no en el esquema de una hipernova. Finalmente, se detectaron estrellas de neutrones de alta velocidad, suficiente como para escapar del disco de la Galaxia y repartirse en un ¨halo¨, más o menos esférico, alrededor de la Vía Láctea. Nueva propuesta: son fenómenos asociados a estrellas de neutrones en el halo de la Galaxia

Otro pregunta: ¿pero dónde están realmente?... Por razones técnicas, es muy difícil obtener una resolución angular muy buena a muy alta frecuencia. La resolución de BATSE era de más o menos 5 grados. ¡Es enormemente mala! (Un millón de veces…)

Nuevo satélite: BEPPOSAX Estrategia: Detectar los brotes con el instrumento de rayos gamma. Observarlos con cámaras X de mejor resolución para determinar su posición con suficiente precisión. Buscar el objeto responsable en el óptico, donde la resolución y la sensitividad son mucho mejores.

El famosísimo evento GRB Se ha observado más brotes de rayos gamma que los dioses que hay en cualquier mitología, así que no se les da nombres sino números. GRB = Gamma Ray Burst del 28 de febrero de GRB fue visto por un grupo de científicos italianos y holandeses que monitoreaban los datos del satélite BEPPOSAX desde Roma, el 28 de febrero del 1997 a las 5:00 de la mañana, simultáneamente con el detector de rayos gamma y la cámara X de gran apertura. La resolución de esta cámara X era mejor que el campo de visión de otra cámara X, con mucho mejor resolución, también a bordo de BEPPOSAX. Reprogramaron inmediatamente al BEPPOSAX para observar GRB con dicha cámara de alta resolución angular. 8 horas después del brote, se obtuvo su posición con una precisión de 0.5 minutos de arco (500 veces mejor que la precisión de BATSE). Era, por mucho, la mejor posición nunca obtenida para un brote de rayos gamma. Con una posición tan precisa, el equipo de investigación llamó a colegas en las Canarias (España), donde observaron (solamente 21 horas después del brote) en el óptico. Vieron una fuente poderosa, puntual y nunca antes vista. Por primera vez, se había detectado la contraparte óptica de un brote de rayos gamma… Observaron la misma posición otra vez una semana después, y la fuente había desaparecido… Unas semanas más tarde, entre mediados de marzo y mediados de abril, otros telescopios, particularmente el Telescopio Espacial Hubble, observaron en la misma dirección. Encontraron todavía una fuente puntual que disminuía en intensidad con el tiempo y tambien una fuente débil extendida, casi seguramente una galaxia lejana…

El otro famosísimo evento: GRB Otros brotes fueron estudiados de la misma manera. El siguiente más importante fue GRB La misma técnica se aplicó para encontrar e identificar la contraparte óptica. Pero en este caso, también se pudo obtener un espectro de la emisión extendida (galaxia) alrededor de la posición del brote. El espectro es muy importante, porque permite determinar la distancia al objeto usando el efecto Doppler.

Efecto Doppler y corrimiento al rojo Expansión del universo Ley de Hubble: V = H d El corrimiento al rojo es proporcional a distancia Se necesitan correcciones si v se acerca a la velocidad de la luz (a grandes distancias) z

El otro famosísimo evento: GRB Otros brotes fueron estudiados de la misma manera. El siguiente más importante fue GRB La misma técnica se aplicó para encontrar e identificar la contraparte óptica. Pero en este caso, también se pudo obtener un espectro de la emisión extendida (galaxia) alrededor de la posición del brote. El espectro es muy importante, porque permite determinar la distancia al objeto usando el efecto Doppler. Obtuvieron z = 3.4 Según los modelos cosmológicos que tenemos, el universo tiene 14 mil millones de años. En este modelo, un objeto a z = 3.4 esta a una distancia de 12 mil millones de años luz. Cuando explotó el brote, el universo tenía solamente 2 mil millones de años, 7 veces menos que hoy… No solamente los brotes de rayos gamma son eventos afuera de nuestra galaxia, algunos vienen de las galaxias más lejanas. Tienen que ser explosiones ¡¡tremendísimas!!

Se ha encontrado otras contrapartes ópticas de brotes de rayos gamma: Aun en el radio se han detectado…

Estructura temporal de los brotes de rayos gamma: Con la acumulación de observaciones de brotes de rayos gamma, se pudo empezar a hacer ¨zoología¨. Una de las sorpresas fue la variedad de estructura temporal.

Conclusión: a/ Los brotes de rayos gamma son eventos que ocurren en otras galaxias. b/ Tienen contrapartes (menos energéticas) a todas longitudes de onda. c/ A todas longitudes de onda, la intensidad decae rápidamente después del brote (más rápidamente a más alta energía). d/ Tienen que ser eventos poderosos. e/ Mucha variedad… a/ ¿Son isotrópicos o hay efecto de focalización? b/ ¿Qué son? Preguntas: Después de 35 años de investigación, los astrónomos piensan que solamente quedan 2 clases de teorías posibles…

Estrella masiva Hipernova Hoyo negro Dos (tipos de) teorías:

Fusión de dos estrellas de neutrones Bola de fuego Fusión y emisión en haces colimados Estrella masiva Hipernova Hoyo negro Dos (tipos de) teorías: En los últimos años, surgió un nexo entre brotes de rayos gamma y supernovas…

Dos tipos de destellos

Una supernova extraña asociada con un brote de rayos gamma… SN 1998bw/GRB Detectada con BEPPOSAX como un brote de rayos gamma. Independientemente, desde la Tierra como una supernova... AntesDespués Pero una supernova extraña... Bastante más poderosa que las supernovas ¨normales¨... Con emisión radio fortísima que sólo se puede explicar como un chorro (jet) relativista

Una supernova extraña asociada con un brote de rayos gamma… SN 1998bw/GRB Supernova (óptico) Chorro relativista (radio) ¿¿¿Efecto de orientación???

Posiblemente el evento más importante fue la observación de GRB hace unos meses. Este brote, detectado en rayos gamma, ha sido uno de los más brillantes jamás observados, no por intrínsecamente brillante, sino por cercano. Comportamiento espectral y temporal similar a una supernova… Un brote de rayos gamma asociado con una supernova… GRB SN1998bw y GRB030329: prueba de que al menos algunos brotes de rayos gamma están asociados con supernovas

Fusión de dos estrellas de neutrones Bola de fuego Fusión y emisión en haces colimados Estrella masiva Hipernova Hoyo negro

 = 100 r  = cm E = erg  = 10 a 1 r  = cm E = erg Modelo intermedio entre los que se consideraba (una estrella masiva, pero un evento colimado)…  = 1/(1-v 2 /c 2 ) 1/2

A Gamma-Ray Burst in Four Easy Pieces 1. Central engine 2. Ultra-relativistic outflow 3. Internal shocks (gamma-ray burst) 4. External shock (afterglow)

El quiebre que se observa en el flujo con el tiempo se debe a dos efectos. El primero tiene que ver con que el observador, al principio, solo ve una región pequeña de la superficie del jet por el enfoque Doppler. Esta región es del orden de (r/  ) 2. En esta notación, r sería el radio del jet. Esto es porque cada punto en el frente del jet emite dentro de un cono con ángulo 1/ 

Llega un momento en que la región observada es del tamaño del frente de jet (r  ) 2 y ya no crece más. Esto ocasiona un quiebre en la emisión. Además a estos tiempos el chorro también se abre, lo cual hace que el flujo disminuya más rápidamente.

Jet Signatures: Optical/X-ray Piran, Science, 08 Feb 2002 GRB t t jet =1.2 d t Harrison et al. (1999) Achromatic breaks - edge of jet is visible - lateral expansion

¿Es cierto? Una propiedad muy conocida de los chorros relativistas es el ¨beaming¨: Si uno tiene un chorro de velocidad aparente v app y con una cierta apertura , solamente la parte del chorro cuyo ángulo al observador sea más pequeña que un ángulo  max se puede observar.  Observador Fuente V  max donde  app = v app /c Otra propiedad conocida de los chorros relativistas es el ¨boosting¨: Si un chorro está dirigido en la dirección de un observador, la intensidad de cualquier radiación emitida es amplificada por un factor , de manera que E obs =  E emit.

Suponemos que a un tiempo t 0 ocurre una eyección ultra-relativista de materia. Conforme el tiempo avanza, la materia expelida se aleja de la fuente y su velocidad disminuye. Eso implica que, con el tiempo, el valor de  disminuye. Como el beaming y el boosting van como , si  disminuye, ambos efectos van a disminuir con el tiempo. La combinación de beaming y boosting permite hacer una predicción sobre el comportamiento temporal de una eyección relativista: La disminución del boosting implica que el brillo superficial disminuye con el tiempo. La disminución del beaming implica que se ve una fracción cada vez más grande del material expulsado, lo cual parcialmente compensa el efecto de disminución del boosting. Un cálculo detallado muestra que la disminución del boosting gana sobre la ganancia del beaming siempre. Finalmente, conforme el tiempo avanza, la ganancia del beaming desaparece, porque ya se ve todo el material expulsado. Queda solamente la disminución del boosting, sin ninguna compensación. La disminución ocurre aún más rápidamente…

t < t chorro  grande log f log t |t chorro t > t chorro  pequeño log f log t | t chorro

Antes de la corrección de beaming (isotrópico) Después de la corrección de beaming Efecto del beaming sobre la energía de los brotes…

Entonces, ¿ya sabemos qué son los brotes de rayos gamma?: Afortunadamente, ¡no!... Recuerden la variedad de estructura temporal…

Los brotes con asociación clara con supernovas son todos de larga duración (más de 30 s). ¿Qué son los brotes de duración corta? Quién sabe… ¿Cuándo vamos a saberlo?...

HETE: High Energy Transient Explorer (ya lanzado) ¡¡¡Pronto!!! Sistema bastante parecido al de BEPPOSAX (localización gamma y luego X de los brotes), pero más rápido y con alerta más automática a los telescopios ópticos en la Tierra. Deberá permitir estudiar en detalle los brotes más cortos…

SWIFT (lanzado en 2004) ¿Por qué perder tiempo en alertar a los telescopios ópticos en la Tierra y no poner un telescopio óptico directamente en el mismo satélite que tiene los detectores gamma y X? ¡SWIFT tendrá los tres!

También se puede hacer astronomía de rayos  desde la superficie terrestre… Obviamente, la detección no directa, lo que se detecta son las cascadas de partículas y fotones que producen al llegar a la atmósfera… Algo similar al proyecto Auger.

High Energy Stereoscopic System Mide los fotones visibles producidos por los fotones de rayos gamma al interaccionar con la atmósfera

The Milagro Detector Located in mountains near Los Alamos, NM At elevation of 8600’ (2600m) 60m X 80m X 8m covered pond Water-Cherenkov EAS detector 100 % coverage, 50% eff. Wide field of view High duty factor (~90%) Sensitivity above 100 GeV

The Milagro Detector ● 723 8" PMTs distributed in 2 layers ● Top layer ( m depth ● Bottom layer (273 7m depth ● Completed pond construction in 1999 ● Currently collecting data at a rate of ~2000 Hz ● So far, we’ve collected >100 billion events. ● Angular reconstruction of shower done with top layer ● Background rejection performed with bottom layer ● Total data rate ~3MB/s (~100TB/y raw data rate) ● Array of 175 outrigger detectors recently finished.

HAWC A Wide-Field Gamma-Ray Telescope

GLAST = Gamma-Ray Large Area Space Telescope Se puso en órbita en el 2008 con el nombre de “Fermi”.