Para ser algo que no emite luz que podamos detectar, a los agujeros negros les encanta cubrirse de resplandor.
De hecho, parte de la luz más brillante del Universo proviene de agujeros negros supermasivos. Bueno, en realidad no los agujeros negros en sí mismos; es el material que los rodea, ya que absorben activamente grandes cantidades de materia de su entorno inmediato.
Entre los más brillantes de estos torbellinos de material caliente arremolinado se encuentran las galaxias conocidas como blazars. No solo brillan con el calor de una capa arremolinada, sino que también canalizan el material en rayos ‘llamadores’ que atraviesan el cosmos, arrojando radiación electromagnética en energías que son difíciles de comprender.
Los científicos finalmente han descubierto el mecanismo que produce la increíble luz de alta energía que nos llega desde hace miles de millones de años: choques en los chorros del agujero negro que aumentan la velocidad de las partículas a velocidades alucinantes.
“Este es un misterio de 40 años que hemos resuelto”, dice el astrónomo Yannis Liodakis
La mayoría de las galaxias del Universo están construidas alrededor de un agujero negro supermasivo. Estos objetos asombrosamente grandes se encuentran en el centro galáctico, a veces haciendo muy poco (como Sagitario A*, el agujero negro en el corazón de la Vía Láctea) y otras veces haciendo mucho.
Esa actividad consiste en acrecentar material. Una gran nube se ensambla en un disco ecuatorial alrededor del agujero negro, rodeándolo como el agua alrededor de un desagüe. Las interacciones de fricción y gravitación que se dan en el espacio extremo que rodea a un agujero negro hacen que este material se caliente y brille intensamente en un rango de longitudes de onda. Esa es una fuente de luz de un agujero negro.
El otro, el que está en juego en los blazares, son chorros gemelos de material lanzados desde las regiones polares fuera del agujero negro, perpendiculares al disco. Se cree que estos chorros son material del borde interior del disco que, en lugar de caer hacia el agujero negro, se acelera a lo largo de las líneas del campo magnético externo hacia los polos, donde se lanza a velocidades muy altas, cercanas a la velocidad de la luz. .
Para que una galaxia se clasifique como un blazar, estos chorros deben apuntar casi directamente hacia el espectador. Esos somos nosotros, en la Tierra. Gracias a la aceleración extrema de las partículas, resplandecen con luz en todo el espectro electromagnético, incluidos los rayos X y gamma de alta energía.
Exactamente cómo este chorro acelera las partículas a velocidades tan altas ha sido un signo de interrogación cósmico gigante durante décadas. Pero ahora, un nuevo y poderoso telescopio de rayos X llamado Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), lanzado en diciembre de 2021, dio a los científicos la clave para resolver el misterio. Es el primer telescopio espacial que revela la orientación o polarización de los rayos X.
“Las primeras mediciones de polarización de rayos X de esta clase de fuentes permitieron, por primera vez, una comparación directa con los modelos desarrollados a partir de la observación de otras frecuencias de luz, desde radio hasta rayos gamma de muy alta energía”. dice el astrónomo Immaculate Donnarumma de la Agencia Espacial Italiana.
IXPE se volvió hacia el objeto de alta energía más brillante en nuestro cielo, un blazar llamado Markarian 501, ubicado a 460 millones de años luz de distancia en la constelación de Hércules. Durante un total de seis días en marzo de 2022, el telescopio recopiló datos sobre la luz de rayos X emitida por el chorro del blazar.
Al mismo tiempo, otros observatorios estaban midiendo la luz de otros rangos de longitud de onda, desde radio hasta óptica, que anteriormente eran los únicos datos disponibles para Markarian 501.
El equipo pronto notó una curiosa diferencia en la luz de rayos X. Su orientación era significativamente más retorcida o polarizada que las longitudes de onda de menor energía. Y la luz óptica estaba más polarizada que las frecuencias de radio.
Sin embargo, la dirección de la polarización era la misma para todas las longitudes de onda y estaba alineada con la dirección del chorro. Esto, encontró el equipo, es consistente con los modelos en los que los choques en los chorros producen ondas de choque que proporcionan una aceleración adicional a lo largo del chorro. Más cerca del choque, esta aceleración está en su punto más alto, produciendo radiación X. Más adelante en el chorro, las partículas pierden energía, produciendo emisiones ópticas y luego de radio de menor energía, con menor polarización.
“A medida que la onda de choque cruza la región, el campo magnético se vuelve más fuerte y la energía de las partículas aumenta”. dice el astrónomo Alan Marscher de la Universidad de Boston. “La energía proviene de la energía de movimiento del material que genera la onda de choque”.
No está claro qué crea los choques, pero un posible mecanismo es que el material más rápido en el chorro alcance a los grumos que se mueven más lentamente, lo que resulta en colisiones. Futuras investigaciones podrían ayudar a confirmar esta hipótesis.
Dado que los blazares se encuentran entre los aceleradores de partículas más poderosos del Universo y uno de los mejores laboratorios para comprender la física extrema, esta investigación marca una pieza bastante importante del rompecabezas.
Las investigaciones futuras continuarán observando Markarian 501 y dirigirán IXPE a otros blazars para ver si se puede detectar una polarización similar.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza Astronomía.