Publicado: 
29 de noviembre de 2022

IXPE ayuda a resolver el misterio de los chorros en los agujeros negros

Esta ilustración muestra a la nave espacial IXPE de la NASA, a la derecha, observando el blazar Markarian 501, a la izquierda.

Esta ilustración muestra a la nave espacial IXPE de la NASA, a la derecha, observando el blazar Markarian 501, a la izquierda. Un blazar es un agujero negro rodeado por un disco de gas y polvo con un chorro brillante de partículas de alta energía que apunta hacia la Tierra. La ilustración del recuadro muestra partículas de alta energía en el chorro (en azul). Cuando las partículas golpean la onda de choque, representada como una barra blanca, las partículas se energizan y emiten rayos X a medida que se aceleran. Al alejarse del choque, emiten luz de menor energía: primero visible, luego infrarroja y después de ondas de radio. Más lejos del choque, las líneas del campo magnético son más caóticas, ocasionando más turbulencia en la corriente de partículas.
Créditos: NASA/Pablo García

Algunos de los objetos más brillantes en el cielo se denominan blazares. Consisten en un agujero negro supermasivo que se alimenta del material que gira a su alrededor formando un disco, lo que puede crear dos potentes chorros perpendiculares al disco en cada lado. Los blazares son especialmente brillantes porque uno de sus poderosos chorros de partículas de alta velocidad apunta directamente a la Tierra. Durante décadas, los científicos se han preguntado: ¿cómo se aceleran a energías tan altas las partículas en estos chorros?

El Explorador de polarimetría de imágenes de rayos X (IXPE, por sus siglas en inglés) de la NASA ha ayudado a los astrónomos a estar más cerca de obtener una respuesta. En un nuevo estudio publicado en la revista científica Nature, resultado de una gran colaboración internacional, los astrónomos han descubierto que la mejor explicación para la aceleración de partículas es una onda de choque dentro del chorro.

“Este es un misterio de 40 años que hemos resuelto”, dijo Yannis Liodakis, autor principal del estudio y astrónomo en el Centro Finlandés de Astronomía que trabaja con el Observatorio Europeo Austral (ESO, por sus siglas en inglés). “Finalmente, obtuvimos todas las piezas del rompecabezas y la imagen que formaron quedó clara”.

Lanzado el 9 de diciembre de 2021, el satélite IXPE se encuentra en la órbita terrestre y es una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana. Este satélite proporciona un tipo especial de datos que nunca antes había sido accesible desde el espacio, incluyendo la medición de la polarización de la luz de rayos X, lo que significa que IXPE detecta la dirección e intensidad promedio del campo eléctrico de las ondas de luz que componen los rayos X. La información sobre la orientación del campo eléctrico en la luz de rayos X, y su grado de polarización, no es accesible a los telescopios en la Tierra porque la atmósfera absorbe los rayos X que provienen del espacio.

“Las primeras mediciones de la polarización de los rayos X de esta clase de fuentes permitieron hacer, por primera vez, una comparación directa con los modelos desarrollados a partir de la observación de otras frecuencias de luz, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma de muy alta energía”, dijo Immacolata Donnarumma, científica del proyecto IXPE en la Agencia Espacial Italiana. “IXPE continuará proporcionando nueva evidencia a medida que se analicen los datos actuales y se adquieran datos adicionales en el futuro”.

El nuevo estudio utilizó IXPE para apuntar a Markarian 501, un blazar en la constelación de Hércules. Este sistema de un agujero negro activo se encuentra en el centro de una gran galaxia elíptica.

IXPE observó a Markarian 501 durante tres días a principios de marzo de 2022, y luego nuevamente dos semanas después. Durante estas observaciones, los astrónomos utilizaron otros telescopios en el espacio y en tierra para recopilar información sobre el blazar en una amplia gama de longitudes de onda de luz, incluyendo ondas de radio, ópticas y de rayos X. Si bien otros estudios han analizado en el pasado la polarización de la luz de baja energía de los blazares, esta ha sido la primera vez que los científicos pudieron obtener esta perspectiva en los rayos X de un blazar, que son emitidos más cerca de la fuente de aceleración de partículas.

“Agregar la polarización de rayos X a nuestro arsenal de polarización de ondas de radio, del infrarrojo y ópticas marca un antes y un después”, dijo Alan Marscher, astrónomo de la Universidad de Boston que dirige el grupo que estudia los agujeros negros gigantes con IXPE.

Los científicos hallaron que la luz de rayos X está más polarizada que la óptica, que a su vez está más polarizada que la de radio. Pero la dirección de la luz polarizada era la misma para todas las longitudes de ondas de luz observadas y también estaba alineada con la dirección del chorro.

Después de comparar su información con modelos teóricos, el equipo de astrónomos se dio cuenta de que los datos coincidían más estrechamente con un escenario en el que una onda de choque acelera las partículas del chorro. Una onda de choque se genera cuando algo se mueve más rápido que la velocidad del sonido del material circundante, como cuando un avión supersónico pasa volando en la atmósfera de nuestra Tierra.

El estudio no fue diseñado para investigar los orígenes de las ondas de choque, que todavía son un misterio. Pero los científicos plantean la hipótesis de que una perturbación en el flujo del chorro hace que una parte del mismo se vuelva supersónica. Esto podría ser el resultado de colisiones de partículas de alta energía dentro del chorro, o de cambios bruscos de presión en el límite del chorro.

“A medida que la onda de choque atraviesa la región, el campo magnético se hace más fuerte y aumenta la energía de las partículas”, dijo Marscher. “Esta energía proviene de la energía del movimiento del material que produce la onda de choque”.

A medida que las partículas viajan hacia el exterior, primero emiten rayos X porque son extremadamente energéticas. Moviéndose más hacia afuera, a través de la región turbulenta más alejada de la ubicación del choque, comienzan a perder energía, lo que hace que emitan luz menos energética, como ondas ópticas y luego de radio. Esto es análogo a la manera como el flujo de agua se vuelve más turbulento después de encontrar una caída de agua; pero en este caso, los campos magnéticos crean esta turbulencia.

Los científicos continuarán observando el blazar Markarian 501 para ver si la polarización cambia con el tiempo. IXPE también investigará un conjunto más amplio de blazares durante su misión principal de dos años, explorando otros misterios de larga data acerca del universo. “Esto es parte del progreso de la humanidad hacia la comprensión de la naturaleza y todo su exotismo”, dijo Marscher.

Escrito por  Elizabeth Landau
Sede de la NASA

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