Tras la fusión de estrellas de neutrones GW170817 se detectó un estallido gamma débil, seis órdenes de magnitud más tenue que los estallidos cortos habituales. La interferometría mostró que el chorro era relativista y estaba dirigido unos 20 grados fuera de la línea de visión. Sin embargo, la geometría por sí sola no revela la estructura angular del flujo: cómo dependen la energía y el factor de Lorentz del ángulo polar. Esa estructura es la que convierte el brillo observado en la energía real emitida, determina la fracción de estallidos que llegamos a ver y lleva la huella del mecanismo de colimación. Normalmente se extrae de un ajuste prolongado del resplandor posterior, lo que exige conocer la densidad del medio circundante y parámetros microfísicos que no se conocen de forma independiente. Este trabajo queda algo apartado: cerca hay estudios sobre emisión gamma, rayos cósmicos y chorros, pero vecinos directos que resuelvan el mismo problema solo con la emisión prompta casi no existen.
Los autores supusieron que GRB 090510 y GW170817 representan el mismo tipo de sistema astrofísico, observado respectivamente a lo largo del eje y con un ángulo de 20 grados. Esta suposición se apoya en datos independientes de ondas gravitacionales: las masas de los sistemas binarios y las energías emitidas son compatibles. El paso clave es renunciar al escalado Doppler de fuente puntual. Para un observador cuyo cono de emisión está lleno de materia, la energía equivalente isótropa es simplemente 4π multiplicado por la energía emitida por unidad de ángulo sólido a lo largo de la línea de visión, y la energía pico es proporcional al factor de Lorentz local. Esto permite expresar la razón de energías de los dos estallidos en función de la razón de sus energías pico elevada a n, donde n es la pendiente logarítmica de la energía frente al factor de Lorentz. No se necesitan parámetros libres ni suposiciones sobre el ángulo. Para convertir la pendiente en un perfil angular se usaron dos anclajes de la literatura: el factor de Lorentz del núcleo de GRB 090510 (≥1200) y el ángulo de observación de GW170817 (19–25 grados).
De la razón de energías (7.45±1.41)×10^5 y de las energías pico 36.4±9.8 se obtuvo un exponente n = 3.76±0.29, es decir, la energía emitida por unidad de ángulo sólido es proporcional a Γ^3.76. Esto descarta cuatro estructuras comunes con una significancia de entre 4.7σ y 13σ: un flujo uniforme sin estructura de energía (n=0), una estructura solo en la carga bariónica (n=1), un chorro estructurado mínimo (n=2) y un cono uniforme visto desde el borde (n=2.4). Con el anclaje angular se obtiene el perfil: fuera del núcleo, con un semiángulo de 2–5 grados, la energía decae como θ^−7.4, y en la línea de visión el factor de Lorentz es 33. El mismo perfil fija el radio de emisión Rγ = 2.7×10^13 cm, lo que aporta 0.41 s al retraso de 1.74 s entre las ondas gravitacionales y la emisión gamma; el resto corresponde al arranque y la ruptura del chorro. La comparación con la energía cinética del resplandor posterior da una eficiencia radiativa proporcional al factor de Lorentz local: η ∝ Γ^0.99±0.29.
El trabajo demuestra que la estructura angular de un estallido corto de rayos gamma puede extraerse de dos espectros promptos, sin resplandor posterior, sin densidad del medio ni parámetros microfísicos. Esto lo diferencia de estudios vecinos que se basan en ajustes del resplandor posterior durante meses o en simulaciones numéricas. Aquí, por primera vez, la estructura se obtiene solo de la emisión prompta, y además se descartan cuatro modelos populares con alta significancia. La debilidad de GW170817 no se explica por un de-boosting del núcleo brillante, sino por la estructura interna del chorro: a lo largo de la línea de visión, el material simplemente emite menos energía.
Dos estallidos fijan solo la pendiente, no la forma del perfil. Un tercer estallido con factor de Lorentz medido de forma independiente convertiría la pendiente en forma y sería la primera prueba capaz de refutar la suposición inicial de que los sistemas son idénticos. También se pueden buscar otros pares de estallidos observados desde ángulos distintos para precisar el exponente n y comprobar su universalidad. Resulta de especial interés medir la dependencia de la eficiencia con el ángulo, que por ahora solo se conoce a partir de los valores centrales.
El resultado afecta directamente a la interpretación de los estallidos cortos de rayos gamma y su relación con las fusiones de estrellas de neutrones. También ofrece un nuevo método para calibrar distancias y energías en eventos de ondas gravitacionales con contrapartida electromagnética.
Encontrar un tercer estallido con factor de Lorentz conocido y aplicar el mismo análisis para poner a prueba la suposición. Comparar sistemáticamente las estructuras obtenidas de la emisión prompta y del resplandor posterior en una muestra amplia de estallidos cortos.
En astrofísica de estallidos de rayos gamma sigue sin resolverse la cuestión del mecanismo de colimación del chorro y de cómo se distribuye la energía en función del ángulo. Este trabajo conecta ese problema con la diversidad observada de brillos en estallidos cortos y con el retraso entre ondas gravitacionales y emisión gamma. También aborda el antiguo debate sobre si la debilidad de GW170817 se debe a la geometría o a la estructura interna, y propone una forma de distinguir ambos escenarios sin suposiciones de modelo sobre el resplandor posterior.
El retraso entre las ondas gravitacionales y la emisión gamma en GW170817 fue de 1.74 segundos. De ellos, 0.41 segundos se explican por la dispersión angular de la emisión, y el resto por el tiempo que tardó el chorro en atravesar la envoltura de material expulsado en la fusión.
En la novela «Contacto» de Carl Sagan, la señal del espacio llega como una secuencia de pulsos que los protagonistas descifran como una estructura. Aquí la estructura del chorro también se reconstruye a partir de dos pulsos, pero en lugar de un mensaje extraterrestre son dos estallidos gamma naturales vistos desde ángulos distintos.