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Los agujeros negros viven un caos ordenado

Los agujeros negros viven un caos ordenado

Los agujeros negros no se forman por explosiones caóticas, sino que los brotes de rayos gamma que emiten siguen un patrón en la oscilación de sus fotones. Un orden dentro del caos caracteriza a uno de los fenómenos más potentes y misteriosos del universo.

Los agujeros negros viven un caos ordenado

Cuando se crea un agujero negro, emite un estallido gigantesco de luz muy energética en forma de rayos gamma, llamado brote de rayos gamma. Estos brotes son los eventos electromagnéticos más luminosos que ocurren en el universo y pueden durar desde unos nanosegundos hasta varias horas.

Ningún proceso conocido del Universo puede producir tal cantidad de energía en tan corto periodo de tiempo como la que proporcionan los brotes de rayos gamma: la energía generada en estos procesos es muy superior a la que podemos encontrar en las ondas gravitatorias o en las partículas más energéticas alcanzadas en el acelerador del CERN.

Una nueva investigación desarrollada por científicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE) ha descubierto que, en contra de las teorías actuales, los brotes de rayos gamma no son realmente caóticos, sino que manifiestan un caos ordenado emergente de los agujeros negros.

Los resultados de esta investigación, que se han publicado en la revista Nature Astronomy, señalan que los fotones que forman los brotes de rayos gamma oscilan en la misma dirección, aunque esa dirección oscilatoria cambia con el tiempo. El aparente caos sigue un patrón que desconcierta a los científicos y que abre un nuevo capítulo para la investigación y las teorías sobre los estallidos de rayos gamma.

Dos hipótesis sobre los brotes de rayos gamma

Cuando dos estrellas de neutrones chocan, o una estrella súper masiva colapsa sobre sí misma, se crea un agujero negro. Este nacimiento se caracteriza por un estallido gigantesco de rayos gamma, una luz muy enérgica, llamado brote de rayos gamma (GRB). En la Tierra, solo la radioactividad puede emitir tales rayos.

El brote de rayos gamma continúa siendo un misterio para los científicos, que lo explican con dos hipótesis diferentes. La primera considera que los fotones que componen la explosión de rayos gamma están polarizados, oscilando en la misma dirección, ya sea vertical u horizontal.

Si este fuera el caso, la fuente de los fotones proporcionaría una dirección concreta a través de un campo magnético y ofrecería a los astrónomos la capacidad de definir la geometría y el tamaño del lugar de nacimiento del agujero negro.

La segunda hipótesis sugiere que el precursor del agujero negro es caótico y que los tonos fotográficos no están polarizados, sino que oscilan en cualquier dirección. La nueva investigación ha intentado comprobar la veracidad de una y otra hipótesis.

Para ello, los investigadores de la UNIGE, en colaboración con el Instituto Paul Scherrer (PSI) de Villigen, en Suiza, del Instituto de Física de Alta Energía en Beijing, y del Centro Nacional de Investigación Nuclear de Swierk en Polonia, construyeron un potente detector de rayos gamma llamado POLAR, que fue enviado en 2016 al laboratorio espacial chino Tiangong-2.

“Nuestros equipos internacionales han construido el primer detector potente de rayos gamma, llamado POLAR, capaz de medir la polarización de los rayos gamma de los GRB. Este instrumento nos permite aprender más sobre su fuente,» explica Xin Wu, profesor del Departamento de Física Nuclear y de Partículas de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, en un comunicado.

Y añade: “el sistema operativo de este detector es bastante simple. Es un cuadrado de 50×50 cm2 que consta de 1.600 barras centelleantes en las que los rayos gamma chocan con los átomos que forman estas barras. Cuando un fotón colisiona en una de estas barras podemos medirlo, y luego puede producir un segundo fotón que puede causar una segunda colisión también visible.”

«Si los fotones están polarizados, observamos una dependencia direccional entre las posiciones de impacto de los fotones”, añade Nicolas Produit, Investigador del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. “Por el contrario, si no hay polarización, el segundo fotón resultante de la primera colisión saldrá en una dirección completamente aleatoria».

Orden dentro del caos

En seis meses, POLAR detectó 55 explosiones de rayos gamma y analizó la polarización de los rayos gamma de los 5 más brillantes. Los resultados son sorprendentes.

«Cuando analizamos la polarización de un estallido de rayos gamma en su conjunto, vimos una polarización muy débil, que parece favorecer claramente varias teorías», dice Merlin Kole, investigadora del Departamento de Física Nuclear y de Partículas del Facultad de Ciencias de la UNIGE y uno de las principales autoras del artículo.

Ante este primer resultado, los científicos analizaron con más detalle una explosión muy poderosa de rayos gamma de 9 segundos de duración y la cortaron en segmentos de tiempo, cada uno de 2 segundos de duración.

«Así descubrimos con sorpresa que los fotones están polarizados en cada sección, y que la dirección de oscilación es diferente en cada sección», dice Xin Wu entusiasmado. Es esta dirección cambiante la que hace que el GRB completo parezca muy caótico y no polarizado.

Sin embargo, “los resultados muestran que en el proceso de creación de un agujero negro, existen fases sucesivas que hacen evolucionar la dirección de la polarización hacia diferentes posiciones, aunque todavía no sabemos por qué”, continúa Merlin Kole.

Estos primeros resultados confrontan a los teóricos con nuevos elementos y requieren que produzcan predicciones más detalladas. “Ahora queremos construir POLAR-2, que es más grande y más preciso. Así podremos profundizar en estos procesos caóticos, para finalmente descubrir la fuente de los rayos gamma y desentrañar los misterios de estos procesos físicos altamente energéticos», concluye Nicolas Produit.

Referencia

Detailed polarization measurements of the prompt emission of five gamma-ray bursts. Shuang-Nan Zhang et al. Nature Astronomy (2019) DOI:https://doi.org/10.1038/s41550-018-0664-0

RedacciónT21

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