Determinan cómo se produce la aceleración de partículas en 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 galaxias activas, muestran una estructura formada por un agujero negro supermasivo central rodeado de un disco de materia que lo alimenta. Sin embargo, 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 aun menor de casos en los que su orientación permite observar el chorro casi de frente. Ahora, un estudio publicado en la revista Nature 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 cómo 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", añade.

Lanzado el 9 de diciembre de 2021, el satélite IXPE, en órbita terrestre, es una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana, que cuenta con la participación en España de científicos del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y que proporciona un tipo de datos que nunca antes habían sido accesibles. 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 de las observaciones del satélite IXPE sobre el blazar Markarian 501 que 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 30 metros del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM), en el telescopio óptico del Observatorio de Sierra Nevada (ambos en Granada), y en el telescopio de Calar Alto (en Almería), fueron esenciales para interpretar los datos de IXPE.

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

Un hito de la luz en rayos X

Se trata de la primera vez en la que se ha observado la polarización de la luz en rayos X en regiones cercanas a la fuente de aceleración de las partículas. El análisis del objeto en distintas longitudes de onda ha revelado que la luz en rayos X muestra mayor polarización que la luz visible, 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, similar a 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, combinadas 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, a través de la región turbulenta más alejada del lugar del choque, 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.

Silbia López de Lacalle / IAA-CSIC Comunicación