Determinan cómo se produce la aceleración de partículas en los chorros de un agujero negro supermasivo

Los blázares, un tipo de galaxia activa, son las fuentes de energía continua más potentes del universo. Al igual que el resto de las galaxias activas, muestran una estructura formada por un agujero negro supermasivo central rodeado de un disco de materia que lo alimenta, pero se hallan entre el 10% de las galaxias activas que presenta un chorro de materia que emerge de ambos polos a altísima velocidad, y entre el porcentaje aún menor de casos en los que su orientación nos permite ver el chorro casi de frente. Ahora, un estudio responde a una pregunta irresoluble durante décadas: ¿cómo se aceleran las partículas de estos chorros hasta alcanzar energías tan altas?

Un equipo científico internacional ha empleado datos del Explorador de Polarimetría de Rayos X (IXPE, por sus siglas en inglés), para esbozar la respuesta, que se publica hoy en la revista Nature y que plantea que la explicación para la aceleración de las partículas se hallaría en una onda de choque dentro del chorro. «Se trata de un misterio de cuarenta años que hemos resuelto», afirma Yannis Liodakis, autor principal del estudio y astrónomo del Centro Finlandés para Astronomía con el Observatorio Europeo Austral. «Por fin disponemos de las piezas del rompecabezas, y la imagen que se ha creado es clara».

Lanzado el 9 de diciembre de 2021, el satélite IXPE, en órbita terrestre, es una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana con participación de científicos del IAA-CSIC en España, que proporciona un tipo de datos que nunca antes habían sido accesible. Estos nuevos datos incluyen la medición de la polarización de la luz en rayos X, lo que significa que IXPE detecta la dirección e intensidad media del campo eléctrico de la luz en rayos X.

Ilustración en la que las observaciones del satélite IXPE sobre el blázar Markarian 501 muestran cómo las partículas de alta energía en el chorro (azul) golpean la onda de choque (blanco) emitiendo rayos X y, al alejarse, emanan luz de menor energía: primero visible, luego infrarroja y finalmente de microondas y radio. / Pablo García (NASA).

El nuevo estudio utilizó IXPE para observar Markarian 501, un blázar situado en el centro de una gran galaxia elíptica. Durante las observaciones, el equipo científico empleó además de observatorios espaciales, telescopios en tierra con capacidad de detectar la radiación polarizada para recopilar información sobre el objeto en una amplia gama de longitudes de onda, incluyendo microondas, luz visible y rayos X. Las observaciones realizadas por el equipo del IAA-CSIC en el radiotelescopio milimétrico de 30m de IRAM y el telescopio óptico de 1.5m del Observatorio de Sierra Nevada (ambos en Granada), y con el telescopio de 2.2m de Calar Alto (en Almería), fueron esenciales para interpretar los datos de IXPE.

“Agregar polarización de rayos X a nuestro arsenal de polarización óptica, infrarroja y milimétrica cambia las reglas de juego”, indica Alan Marscher, astrónomo de la Universidad de Boston que coordina el grupo que estudia agujeros negros gigantes con IXPE.

Se trata de la primera vez en la que se ha observado la polarización de la luz en rayos X en las regiones cercanas a la fuente de aceleración de las partículas, y el análisis del objeto en distintas longitudes de onda ha revelado que la luz en rayos X muestra mayor polarización que la óptica, que a su vez se halla más polarizada que la emitida en microondas. Sin embargo, la dirección de la polarización coincide en todas las longitudes de onda observadas y se halla alineada con la dirección del chorro.

La comparación de los datos con modelos teóricos mostró que el escenario más viable implica la existencia de una onda de choque que acelera las partículas del chorro. Una onda de choque se genera cuando una onda de presión se mueve más rápido que la velocidad del sonido del material circundante, como cuando un avión supersónico atraviesa la atmósfera terrestre.

“Aunque hace décadas que las ondas de choque se han considerado uno de los escenarios viables para favorecer la aceleración de partículas en los chorros relativistas, siempre ha habido otros escenarios igualmente posibles que podían explicar el mismo fenómeno –apunta Iván Agudo, coordinador del grupo del IAA-CSIC que participa en el estudio–. La novedad y la relevancia de este resultado reside en que las nuevas observaciones de rayos X con sensibilidad a la polarización, combinada con nuestras observaciones desde tierra, solo favorecen el mecanismo de aceleración de partículas en ondas de choque”.

A medida que las partículas aceleradas se desplazan hacia el exterior del choque, emiten primero rayos X, ya que son extremadamente energéticas. Al desplazarse hacia el exterior, la región energetizada se vuelve cada vez más turbulenta conforme se aleja del lugar del choque, y las partículas comienzan a perder energía, lo que produce emisión en longitudes de onda menos energéticas, como visible y microondas. Se trata de un fenómeno análogo a la forma en que el flujo de agua se vuelve más turbulento después de encontrarse con una cascada.

El satélite IXPE es una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana, con participación en España del IAA-CSIC. / IXPE

Referencia bibliografía:

Liodakis, Marscher, Agudo et al. «Polarized Blazar X-rays imply particle acceleration in shocks». Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05338-0.