Revelan el origen de la emisión de rayos X en los chorros de agujeros negros supermasivos

Cuando el chorro relativista de una galaxia activa apunta directamente hacia la Tierra, observamos uno de los fenómenos más extremos del universo. Así son los blázares: núcleos galácticos activos (AGN) alimentados por agujeros negros supermasivos, que expulsan chorros de materia a velocidades cercanas a la de la luz. En casos como este, uno de esos chorros o jets se alinea casi perfectamente con nuestra línea de visión.

Esta orientación amplifica su brillo —debido al efecto Doppler relativista— y provoca variaciones rápidas e intensas que se manifiestan en todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. En este contexto, destaca el caso de BL Lacertae, un blázar que ha ofrecido la oportunidad única para abordar una cuestión aún abierta en astrofísica: ¿cuál es el mecanismo físico que produce la emisión de rayos X en estos entornos extremos?

Un reciente estudio liderado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha logrado arrojar luz sobre esta incógnita. “El trabajo resuelve, por primera vez sin ningún tipo de ambigüedad, uno de los problemas más antiguos y relevantes de la astrofísica de partículas de jets relativistas de agujeros negros supermasivos”, afirma Iván Agudo, investigador del IAA-CSIC y autor principal del trabajo.

Los resultados, publicados en The Astrophysical Journal Letters, apuntan a que la emisión de rayos X en BL Lacertae se debe a interacciones entre electrones de alta energía y fotones —partículas de luz—, que provocan un aumento extremo en la energía de estos últimos.

Un ingeniero de Ball Aerospace inspecciona la nave espacial Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE) en las instalaciones de pruebas de Ball en Boulder, Colorado. Imagen: NASA.

“Los resultados no habrían sido posibles sin IXPE, la misión espacial de la NASA y de la Agencia Espacial Italiana diseñada específicamente para observar la radiación polarizada de rayos X proveniente de objetos astronómicos”, señala Jorge Otero, investigador del IAA-CSIC (recientemente trasladado a INFN-Padova, Italia) que forma parte del estudio. “La misión IXPE, en la que nuestro grupo es el único representante español en el equipo científico, y el Observatorio de Sierra Nevada, han sido clave para analizar la emisión de BL Lacertae”, destaca Iván Agudo (IAA-CSIC).

El lenguaje polarizado de los rayos X

La comunidad científica barajaba dos posibles mecanismos para explicar la emisión de rayos X en los blázares: uno basado en la participación de protones, y otro en interacciones entre electrones y fotones. Cada uno de estos procesos deja una huella distinta en la polarización de la luz de rayos X, una propiedad que describe la orientación de las ondas electromagnéticas.

Una alta polarización en rayos X apuntaría a un origen asociado a protones —ya sea por su movimiento en el campo magnético del chorro o por sus colisiones con fotones—, mientras que una polarización más baja indicaría que los responsables son los electrones, a través de un mecanismo conocido como dispersión Compton. En este proceso, los electrones transfieren parte de su energía a los fotones, impulsándolos a frecuencias más altas, como los rayos X.

IXPE, lanzado en diciembre de 2021 como parte de la misión que lleva su nombre: el único satélite operativo capaz de medir la polarización de los rayos X, y las intensísimas observaciones de polarización óptica coordinadas con él, fueron clave para resolver este enigma.

“Este era uno de los mayores misterios sobre los chorros de agujeros negros supermasivos”, señala Iván Agudo (IAA-CSIC). “Gracias a IXPE, al polarímetro óptico que recientemente instalamos en el OSN, y al apoyo de otros telescopios en tierra, por fin tenemos la respuesta.”

Las observaciones revelaron un bajo grado de polarización en rayos X que fue muy alto en el óptico, lo que confirma que los rayos X en BL Lacertae se originan por dispersión Compton de electrones que viajan a velocidades relativistas dentro del chorro. Estos electrones son capaces de transformar fotones de luz infrarroja en fotones de rayos X.

Una nueva mirada al universo

A finales de noviembre de 2023, el telescopio espacial IXPE observó durante siete días el blázar BL Lacertae (BL Lac), uno de los primeros de su clase en ser identificados. La campaña, coordinada con telescopios terrestres, en la que el Observatorio de Sierra Nevada aportó la mayoría de los datos, se llevó a cabo de forma coordinada para medir la polarización en luz óptica y ondas milimétricas y de radio. Aunque IXPE ya había observado ese objeto en el pasado, esta ocasión resultó especialmente significativa: durante las observaciones de rayos X, la polarización óptica de BL Lac alcanzó un valor inusualmente alto del 47,5%.

“¡Esta no solo fue la mayor polarización registrada de BL Lac en los últimos 30 años, es la mayor jamás observada en cualquier blázar!” destaca Ioannis Liodakis, segundo autor del estudio y astrofísico en el Instituto de Astrofísica FORTH (Creta, Grecia).

El grupo VHEGA del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha liderado este trabajo dentro del equipo científico de la misión IXPE. En particular, jugaron un papel clave las observaciones de polarimetría óptica llevadas a cabo desde el Observatorio de Sierra Nevada (OSN), sin las cuales no habría sido posible alcanzar estos resultados ni verificar la altísima polarización óptica en el blázar.

Por su parte, los datos de IXPE revelaron que la emisión en rayos X presentaba una polarización significativamente menor que la luz óptica. El equipo no detectó una señal fuerte y determinó que la polarización en rayos X no supera el 7,4%, lo que indica que esta radiación se genera por el efecto Compton, en el que los electrones transfieren energía a los fotones mediante colisiones.

Jorge Otero (IAA-CSIC e INFN-Padova) destaca que “este estudio subraya la importancia de combinar las observaciones en rayos X con medidas de polarización en el óptico y en longitudes de onda milimétricas, lo que permite aprovechar todo el potencial de IXPE y de futuras misiones similares”. Además, el trabajo ha abierto una nueva ventana al universo, “marcando el inicio de una auténtica revolución en nuestra comprensión de los sistemas astrofísicos en los que intervienen procesos de emisión en rayos X, campos magnéticos y fenómenos de dispersión de la luz en entornos asimétricos”, concluye Iván Agudo (IAA-CSIC).

Referencia:

‘High optical to X-ray polarization ratio reveals Compton scattering in BL Lacertae’s jet’. The Astrophysical Journal Letters