Nuestro Universo no es un lugar tranquilo. Está lleno de estrellas más masivas que nuestro Sol que explotan tras haber agotado el hidrógeno, su principal fuente de combustible, en una espectacular explosión de supernova. Aunque la explosión es catastrófica, deja tras de sí un remanente denso y compacto que puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro. Si el remanente gira muy rápidamente, es capaz de lanzar un chorro de material que se desplaza a velocidades muy próximas a la de la luz (véase Figura 1). Este remanente se forma muy pronto, cuando la estrella madre aún está colapsando sobre su centro antes de la explosión de la supernova, lo que significa que el chorro que se desplaza rápidamente debe atravesar el material estelar en inflexión y salir de la superficie de la estrella. Una vez que el chorro sale de la estrella y se desplaza a una distancia similar a la que hay entre el Sol y la Tierra, las perturbaciones que se producen en su interior liberan una gran cantidad de energía. Si el chorro apunta hacia la Tierra, la radiación de rayos gamma de muy alta energía (millones de veces más energética que la luz visible) emitida por el chorro es detectada por los telescopios espaciales como un brillante estallido de rayos gamma en un evento denominado simplemente estallido de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés).
Los GRB son eventos de corta duración que duran entre unos segundos y, a veces, cientos de segundos. También son las explosiones cósmicas más potentes. En ese breve lapso de tiempo, liberan una cantidad de energía equivalente a la liberada por el Sol a lo largo de su vida útil de diez mil millones de años. Debido a su brillo, los GRB pueden verse a distancias inmensas, lo que los convierte en útiles sondas de nuestro Universo. La mayoría de los GRB se encuentran a una distancia de varias decenas de miles de millones de años luz, donde un año luz es la distancia que recorrería la luz en un año, lo que equivale a casi diez billones de kilómetros. Como referencia, la estrella más cercana fuera de nuestro sistema solar se encuentra aproximadamente a 4.4 años luz. También se han observado muy pocos GRB hasta una distancia de más de 200 mil millones de años luz.
Estos brillantes destellos fueron detectados por primera vez por satélites espía estadounidenses en el espacio durante la época de la guerra fría, en 1967. Aunque desde entonces se ha avanzado mucho en la comprensión de la naturaleza de los GRB, aún quedan muchas cuestiones fundamentales por resolver. Todavía no está claro de qué están hechos los chorros, es decir, si la mayor parte de su energía está encerrada en envolturas de material en rápido movimiento que chocan entre sí y producen el GRB, o en fuertes campos magnéticos que se destruyen debido a alguna inestabilidad. En ambos casos, la energía liberada pasa a calentar protones y electrones (partículas subatómicas), donde los electrones irradian esta energía. El mecanismo exacto de radiación que produce el GRB aún no se conoce del todo.
Mientras que el GRB en sí es de corta duración y se observa principalmente en rayos gamma, le sigue un resplandor de larga duración (durante semanas, meses y años) que puede detectarse en ondas de radio (radiación de menor energía), luz visible, rayos X y rayos gamma de muy alta energía (véase Figura 2). La física de los resplandores y la forma en que se produce la radiación se comprenden mejor. A medida que el chorro se aleja del punto de lanzamiento, se ralentiza barriendo el gas tenue circundante. El chorro en rápido movimiento choca y transfiere su energía cinética a este material barrido, que la irradia a través de un mecanismo bien conocido llamado emisión sincrotrón. También se observa una radiación similar en las ondas expansivas de las supernovas y en los chorros a gran escala que emanan de los agujeros negros supermasivos que residen en el centro de muchas galaxias.
Dado que el resplandor tardío dura mucho más tiempo, puede observarse con una serie de instrumentos, incluidas instalaciones terrestres de radio y ópticas e instrumentos de rayos X y rayos gamma en el espacio. Las observaciones de la posluminiscencia contienen una gran cantidad de información y nos permiten comprender la estructura del chorro, su energía total, así como la física de los choques que aparecen en muchos otros objetos astrofísicos.
Aunque la emisión de los GRB cerca de la fuente es muy brillante, las grandes distancias los hacen más tenues, lo que oculta algunos de los detalles más finos que se habrían visto si el suceso estuviera cerca. En raras ocasiones se observan GRB excepcionalmente brillantes que arrojan luz sobre algunos de los problemas fundamentales abiertos.
Uno de estos GRB se observó el 9 de octubre de 2022, al que se dio el título de GRB 221009A según la convención de nomenclatura. El estallido tuvo una duración aproximada de 600 segundos y durante este tiempo emitió una energía isotrópica equivalente (si se supone que se emite en todas las direcciones) que bate récords y que equivale a la emitida por diez mil estrellas similares al Sol durante toda su vida. Este GRB fue tan brillante en rayos gamma que saturó la mayoría de los detectores de rayos gamma en el espacio, e incluso afectó a la atmósfera superior de la Tierra. Al hacer comparaciones con toda la muestra de GRB observados desde 1968, la probabilidad de observar un evento de brillo similar es de una entre diez mil años. Este fue también el primer GRB que se observó más brillante en rayos gamma TeV (tera-electrón-voltio; trillón de veces más energético que la luz visible). El mecanismo subyacente que produjo un suceso tan brillante aún no se conoce del todo y es objeto de un intenso debate.
El resplandor secundario del GRB 221009A ya ha aportado algunas revelaciones importantes sobre la estructura de los chorros de los GRB. La mayoría de los resplandores posteriores se explican bien porque surgen de un chorro con un perfil angular de «sombrero de copa» similar a una cuña cónica con bordes afilados sacada de una esfera. Este perfil implica que todo el material del chorro tiene la misma energía y velocidad de expansión. La existencia de bordes afilados se revela a través de un fenómeno denominado «rotura del chorro», en el que una curva de luz de posluminiscencia que ya está decayendo comienza de repente a decaer a un ritmo más rápido. Este empinamiento de la curva de luz de la posluminiscencia se produce cuando vemos la emisión procedente de los bordes del chorro.
Una característica desconcertante que se ha observado en algunos GRB brillantes es que la ruptura del chorro es mucho menos profunda de lo que cabría esperar de un chorro de sombrero de copa. Una explicación de este comportamiento es que el chorro no tiene bordes afilados, sino «alas» suaves y extendidas que rodean el núcleo del chorro. En comparación con el núcleo energético, estas alas de material pueden tener menos energía y una velocidad de expansión más lenta.
El resplandor posterior del GRB 221009A también mostró una ruptura superficial del chorro en la curva de luz aproximadamente 20 horas después de que se observara la emisión principal del GRB. Esto exigía que el chorro tuviera una estructura angular con un núcleo rodeado de alas de menor energía. Al modelizar la emisión de este tipo de «chorro estructurado» y compararla con las observaciones, se obtuvieron por primera vez restricciones estrictas sobre la brusquedad con la que la energía y la velocidad de expansión de las alas se alejan del núcleo.
Determinar la estructura exacta de los chorros de los GRB proporciona información muy útil sobre la composición de estos chorros y la física de cómo estos chorros se desprenden de sus estrellas progenitoras. No ha sido posible conocer la estructura de los chorros a partir de otros muchos GRB observados porque eran demasiado débiles. El GRB 221009A es un suceso único en la vida que ha revelado muchos datos interesantes, y a la vez desconcertantes, sobre los chorros extremos de los GRB.
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