Los chorros extremos adquieren una nueva forma

Recientes observaciones de los chorros de blázares exigen que los investigadores analicen con mayor profundidad si las teorías actuales sobre la formación y movimiento de los chorros requieren un ajuste

Los chorros de partículas procedentes de los agujeros negros en las lejanas galaxias funcionan de manera diferente de lo que se pensaba, según un estudio publicado recientemente en Nature. El nuevo estudio revela que la mayor parte de la luz del chorro —rayos gamma, la forma más energética de la luz en el universo— se crea mucho más lejos del agujero negro de lo esperado e indica una forma más compleja para el chorro.

Esta simulación, cortesía de Jonathan McKinney (KIPAC), muestra un agujero negro absorbiendo la materia cercana (amarillo) y rociado energía de regreso al universo en un chorro (azul y rojo) cuya forma se mantiene por las líneas de campo magnético (verde)

La investigación fue dirigida por científicos del Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas y Cosmología, en forma conjunta en el SLAC National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EEUU y la Universidad de Stanford, con la participación de científicos de todo el mundo. El estudio incluyó datos de más de 20 telescopios, entre ellos el telescopio espacial Fermi de Rayos Gamma y el telescopio KANATA.

Muy por encima del plano de la Vía Láctea, brillantes galaxias llamadas «blazars» dominan el firmamento de rayos gamma, puntos discretos en el fondo oscuro del universo. Cuando la materia cercana cae en el agujero negro que está en el centro de un blazar, «alimentando» el agujero negro, una parte de esta energía es enviada de regreso al universo en la forma de un chorro de partículas.

«Al ser los aceleradores más grandes en el universo, es importante entender los chorros blazar», dice el investigador Masaaki Hayashida del KIPAC, quien firma como coautor en el artículo con el astrofísico Greg Madejski del KIPAC. «Pero no se entiende bien cómo se producen y cómo están estructurados. Seguimos viendo cómo comprender los fundamentos».

Los investigadores habían teorizado antes que estos chorros aviones se mantienen unidos por fuertes líneas de campo magnético, mientras que la luz del chorro es creada por las partículas que giran alrededor de estas delgadas «líneas» de campo magnético.

Sin embargo, hasta ahora, se sabía poco sobre los detalles. El estudio reciente da un vuelco a la comprensión de la estructura del chorro que estaba vigente, revelando una nueva mirada a estos monstruos misteriosos y poderosos.

«Este trabajo es un paso significativo hacia la comprensión de la física de estos chorros», dice el director del KIPAC, Roger Blandford. «Es este tipo de observación lo que se hará posible que nos figuremos su anatomía.»

Localizando los rayos gamma

Durante un año completo de observaciones, los investigadores se centraron en un chorro blazar en particular, ubicado en la constelación de Virgo, monitoreándolo en muchas longitudes de onda diferentes de la luz de: rayos gamma, rayos X, visible, infrarroja y de radio. Los blazars parpadean continuamente, y los investigadores esperaban encontrar cambios continuos en todos los tipos de luz. A mitad del año de trabajo, sin embargo, los investigadores observaron un cambio espectacular en la emisión óptica del chorro y la emisión de rayos gamma: destellos de rayos gamma de 20 días de duración son acompañados de un cambio dramático en la luz visible del chorro.

Aunque la mayor parte de la luz visible no está polarizada —constando de rayos de luz con una mezcla pareja de todas las polarizaciones o direccionalidad— la extrema torsión de las partículas energéticas en torno a una línea de campo magnético puede polarizar la luz. Durante los veinte días de la llamarada de rayos gamma, la luz visible que fluía del chorro cambió de polarización. Esta conexión temporal entre los cambios en la luz de rayos gamma y los cambios en la luz visible indica que ambos tipos de luz se crean en la misma región geográfica del chorro. Durante esos 20 días, algo en el entorno local se altera para causar que varíe tanto la luz viisble como la de rayos gamma.

«Tenemos una buena idea de en qué parte del chorro se crea de luz visible, ahora que sabemos que los rayos gamma y la luz visible se crean en el mismo lugar, podemos, por primera vez, determinar de dónde provienen los rayos gamma», dijo Hayashida.

Este conocimiento tiene importantes implicaciones acerca de cómo se escapa la energía de un agujero negro. La gran mayoría de la energía liberada en el chorro se escapa en forma de rayos gamma, y los investigadores pensaban que toda esta energía debía surgir de cerca del agujero negro, próximo a donde la materia que fluye hacia el agujero negro cede su energía por primera vez. Sin embargo, los nuevos resultados indican que los rayos gamma —como la luz visible— son emitidos relativamente lejos del agujero negro. Hayashida y Madejski dicen que esto, a su vez, indica que las líneas del campo magnético deben ayudar, de algún modo, a que la energía viaje lejos del agujero negro antes de que se libere en forma de rayos gamma.

«Lo que encontramos fue muy diferente de lo que esperábamos», dijo Madejski. «Los datos indican que los rayos gamma se producen no a uno o dos días-luz del agujero negro [como se esperaba], sino más cerca de un año-luz. Eso es sorprendente».

Repensar la estructura de los chorros

Además de revelar dónde se produce la luz en los chorros, el cambio gradual de la polarización de la luz visible también revela algo inesperado acerca de la forma general del chorro: éste parece curvarse mientras se aleja del agujero negro.

«En un momento, durante una llamarada de rayos gamma, la polarización rotó unos 180 grados cuando cambió la intensidad de la luz», dijo Hayashida. «Esto inidca que el chorro entero se curva».

Esta nueva comprensión del funcionamiento interno y la creación de un chorro de blazar requiere un nuevo modelo funcional de la estructura del chorro, en el que éste se curva de forma dramática y la luz más energética se origina lejos del agujero negro. Aquí, dice Madejski, es donde entran en juego los teóricos. «Nuestro estudio representa un desafío muy importante para los teóricos: ¿cómo construir un chorro que potencialmente podría estar llevando la energía tan lejos del agujero negro? ¿Y cómo podremos detectarlo? No es simple tomar en cuenta las líneas de campo magnético. los cálculos relacionados con esto son difíciles de hacer en forma analítica, y debe ser resuelto con sistemas numéricos muy complejos»..

El teórico Jonathan McKinney, miembro de la Universidad de Stanford y experto en la formación de chorros magnetizados, está de acuerdo en que los resultados plantean igual cantidad de preguntas como las que responden. «Ha habido una controversia de larga data acerca de estos chorros, sobre los lugares de dónde está viniendo la emisión de rayos gamma. Este trabajo limita los tipos de modelos de chorros que son posibles», dijo McKinney, quien no está asociadado con el reciente estudio. «Desde el punto de vista teórico, estoy excitado, porque significa que tenemos que repensar nuestros modelos».

Cuando los teóricos consideren cómo encajan las nuevas observaciones en los modelos del funcionamiento de los chorros, Hayashida, Madejski y otros miembros del equipo de investigación seguirán reuniendo más datos. «Hay una clara necesidad de llevar a cabo estas observaciones en todos los tipos de luz para entender mejor esto», dijo Madejski. «Es necesaria una cantidad masiva de coordinación para llevar a cabo este tipo de estudio, que incluyó más de 250 científicos y los datos de unos 20 telescopios. Pero vale la pena».

Con esto y los futuros estudios en múltiples longitudes de onda, los teóricos tendrán una nueva perspectiva para ajustar los modelos de cómo funcionan los aceleradores más grandes del universo.

Fuente: SLAC. Aportado por Eduardo J. Carletti

Más información: