Astrónomos determinan el origen cósmico de una ráfaga de radio rápida
El fugaz fuego cósmico detectado por los científicos surgió probablemente de la turbulenta magnetosfera que rodea una lejana estrella de neutrones.
Por Jennifer Chu | MIT News
Ilustración artística de una estrella de neutrones que emite un haz de radio desde su entorno magnético. A medida que las ondas de radio viajan a través del denso plasma de la galaxia, se dividen en múltiples trayectorias, lo que provoca que la señal observada parpadee en brillo. Cortesía: Daniel Liévano, edited by MIT News
Las ráfagas rápidas de radio son explosiones breves y brillantes de ondas de radio emitidas por objetos extremadamente compactos, como estrellas de neutrones y posiblemente agujeros negros.
Estos fugaces fuegos artificiales duran apenas una milésima de segundo y pueden transportar una enorme cantidad de energía, suficiente para eclipsar brevemente galaxias enteras.
Desde que se descubrió la primera ráfaga de radio rápida (FRB) en 2007, los astrónomos han detectado miles de ellas, cuyas ubicaciones van desde dentro de nuestra propia galaxia hasta 8.000 millones de años luz de distancia. Cómo se lanzan exactamente estas llamaradas de radio cósmicas es una incógnita muy controvertida.
Ahora, astrónomos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han descubierto los orígenes de al menos una ráfaga de radio rápida con la ayuda de una técnica novedosa que podría servir para otras FRB. En su nuevo estudio, que aparece publicado en la revista Nature, el equipo se centró en la FRB 20221022A, una ráfaga de radio rápida descubierta anteriormente y detectada en una galaxia situada a unos 200 millones de años luz.
Una explosión cercana a una estrella de neutrones
El equipo del MIT hizo un especial esfuerzo en determinar la ubicación precisa de la señal de radio mediante el análisis de su centelleo, similar a cómo las estrellas titilan en el cielo nocturno. Los científicos estudiaron los cambios en el brillo de dicha ráfaga de radio rápida y determinaron que el estallido debía haber surgido de la inmediata cercanía de su fuente, en lugar de mucho más lejos, como algunos modelos han predicho.
Los astrónomos estiman que FRB 20221022A explotó desde una región extremadamente cercana a una estrella de neutrones en rotación, a como máximo 10.000 kilómetros de distancia. Eso es menos que la distancia entre Nueva York y Singapur. A tan corta distancia, es probable que el estallido haya emergido de la magnetosfera de la estrella de neutrones — una región altamente magnética que rodea inmediatamente a la estrella ultracompacta.
Los hallazgos del grupo del MIT proporcionan la primera prueba concluyente de que una ráfaga de radio rápida puede originarse en la magnetosfera, el entorno altamente magnético que rodea inmediatamente a un objeto extremadamente compacto.
“En estos entornos de estrellas de neutrones, los campos magnéticos están realmente en los límites de lo que el universo puede producir. Ha habido mucho debate sobre si esta brillante emisión de radio podría incluso escapar de ese plasma extremo.”
«Alrededor de estas estrellas de neutrones altamente magnéticas, también conocidas como magnetares, los átomos no pueden existir: los campos magnéticos los destrozarían —explica Kiyoshi Masui, profesor asociado de Física en el MIT. Y añade—: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 medio camino a través del universo».
Entre los coautores del estudio en el MIT se encuentran Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli y Kaitlyn Shin, junto con colaboradores de múltiples instituciones.
Tamaño de las ráfagas
Las detecciones de ráfagas de radio rápidas se han intensificado en los últimos años gracias al Experimento Canadiense de Cartografía de la Intensidad del Hidrógeno (CHIME). El conjunto de radiotelescopios consta de cuatro grandes receptores fijos, cada uno con forma de media tubería, que están sintonizados para detectar emisiones de radio dentro de un rango altamente sensible a las ráfagas de radio rápidas.
Desde 2020, CHIME ha detectado miles de FRB de todo el universo. Mientras que los científicos generalmente están de acuerdo en que las ráfagas provienen de objetos extremadamente compactos, la física exacta que impulsa las ráfagas rápidas de radio no está clara.
Algunos modelos predicen que las ráfagas de radio rápidas deben provenir de la magnetosfera turbulenta que rodea inmediatamente a un objeto compacto, mientras que otros predicen que las ráfagas deberían originarse mucho más lejos, como parte de una onda de choque que se propaga desde el objeto central.
Con la mirada puesta en el centelleo
Para distinguir entre los dos escenarios y determinar de dónde surgen las ráfagas de radio rápidas, el equipo consideró el ya citado centelleo, el efecto que ocurre cuando la luz de una fuente pequeña y brillante, como una estrella, atraviesa algún medio, como el gas de una galaxia.
A medida que la luz estelar atraviesa el gas, se dobla de maneras que hacen que parezca, para un observador distante, como si la estrella estuviera titilando. Cuanto más pequeño o más lejos esté un objeto, más titila. La luz de objetos más grandes o más cercanos, como los planetas de nuestro Sistema Solar, experimenta menos curvatura, y por lo tanto no parece titilar.
El equipo pensó que si podían estimar el grado de centelleo de una FRB, se podría determinar el tamaño relativo de la región en la que se originó la FRB. Cuanto más pequeña sea la región, más cerca estará la ráfaga de su fuente y más probable será que proceda de un entorno magnéticamente turbulento. Cuanto mayor sea la región, más lejana será la explosión, lo que apoya la idea de que las FRB proceden de ondas de choque lejanas.
Un ángulo de polarización con forma de S
Para probar su idea, los investigadores se fijaron en la FRB 20221022A, una ráfaga de radio rápida detectada por CHIME en 2022. La señal dura unos dos milisegundos y es una FRB relativamente común, en términos de brillo.
Sin embargo, los colaboradores del equipo de la Universidad McGill, en Canadá, descubrieron que FRB 20221022A presentaba una propiedad destacada: la luz del estallido estaba muy polarizada, y el ángulo de polarización trazaba una curva suave en forma de S.
Este patrón se interpreta como una prueba de que el lugar de emisión de la FRB está girando, una característica observada anteriormente en los púlsares, que son estrellas de neutrones giratorias altamente magnetizadas.
Ver una polarización similar en ráfagas de radio rápidas fue algo inédito, y sugiere que la señal podría haber surgido de la cercanía de una estrella de neutrones. Los resultados del equipo de McGill se reportan en un artículo complementario en la revista Nature.
Esta ilustración artística muestra la trayectoria de la ráfaga rápida de radio FRB 20220610A desde su galaxia de origen hasta la Tierra, en la Vía Láctea. La galaxia fuente, identificada con el Very Large Telescope (VLT) de ESO, está en un grupo de galaxias en interacción y su luz tardó ocho mil millones de años en llegar, siendo la ráfaga más distante registrada. Cortesía: ESO/M. Kornmesser
Una FRB que titila
El equipo del MIT se dio cuenta de que si FRB 20221022A provenía de cerca de una estrella de neutrones, podrían demostrarlo utilizando la centelleo.
En su nuevo estudio, Nimmo y sus colegas analizaron datos de CHIME, y observaron variaciones pronunciadas en el brillo que señalaban la centelleo, es decir, la FRB estaba titilando. Confirmaron que hay gas en algún lugar entre el telescopio y la FRB que está curvando y filtrando las ondas de radio.
El equipo del MIT determinó entonces dónde podría estar ubicado este gas, y confirmó que el gas dentro de la galaxia anfitriona de la FRB era responsable de parte de centelleo observado. Este gas actuó como una lente natural, lo que permitió a los investigadores acercarse al sitio de la ráfaga rápida de radio y determinar que el estallido provenía de una región extremadamente pequeña, estimada en unos 10,000 kilómetros de ancho.
«Esto significa que la FRB se encuentra probablemente a cientos de miles de kilómetros de la fuente —dice Nimmo. Y añade—: Eso está muy cerca. En comparación, esperaríamos que la señal estuviera a más de decenas de millones de kilómetros si se originara en una onda de choque, y no veríamos ningún centelleo».
“Acercarse a una región de 10.000 kilómetros, desde una distancia de 200 millones de años luz, es como poder medir la anchura de una hélice de ADN, que tiene unos 2 nanómetros de ancho, en la superficie de la Luna. Se trata de un rango de escalas asombroso.”
Los resultados del equipo, combinados con los hallazgos del equipo de la Universidad McGill, descartan la posibilidad de que FRB 20221022A surgiera de las afueras de un objeto compacto. En su lugar, los estudios demuestran por primera vez que las ráfagas rápidas de radio pueden originarse muy cerca de una estrella de neutrones, en entornos magnéticos altamente caóticos.
«Estas ráfagas están ocurriendo continuamente, y CHIME detecta varias al día —comenta Masui. Y concluye—: Puede haber mucha diversidad en cómo y dónde ocurren, y esta técnica de centelleo será realmente útil para ayudar a desentrañar las diversas físicas que impulsan estas ráfagas». ▪️
Artículo republicado con la autorización de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías
Fuente: Nimmo, K., Pleunis, Z., Beniamini, P. et al. Magnetospheric origin of a fast radio burst constrained using scintillation. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08297-w
