Para ser algo que no emite luz que podamos detectar, a los agujeros negros les encanta cubrirse del resplandor generado a partir del material que los rodea. De hecho, parte de la luz más brillante del universo proviene de los agujeros negros supermasivos en los núcleos galácticos.
Estas enormes y compactas fuentes de energía asociadas a un agujero negro supermasivo se llaman blazares y están entre los fenómenos más violentos del universo. No solo brillan con el calor de una capa arremolinada, sino que también canalizan el material en extensos chorros que atraviesan el cosmos, arrojando radiación electromagnética en energías que son difíciles de comprender.
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, les 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.
«Este es un misterio de 40 años que hemos resuelto», dijo Yannis Liodakis, autor principal del estudio y astrónomo de FINCA, el Centro de Astronomía de Finlandia con ESO. «Finalmente tuvimos todas las piezas del rompecabezas, y la imagen que hicieron fue clara».
La respuesta
IXPE fue apuntado hacia el objeto de alta energía más brillante de nuestro cielo, un blázar 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.
Los blazares son un tipo particular de núcleo activo galáctico, caracterizado por emitir un jet o chorro relativista. Actualmente se acepta que un blazar es un cuásar, con la salvedad de que su chorro se encuentra apuntando en dirección a la Tierra. Imagen: observaciones de IXPE de 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 las colisiones en los chorros producen ondas de choque que proporcionan una aceleración adicional a lo largo del chorro. Más cerca de la 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.
Una ilustración que muestra a IXPE observando Markarian 501, con la luz perdiendo energía a medida que se aleja del frente de choque. Crédito: Pablo García/NASA/MSFC.
«A medida que la onda de choque cruza la región, el campo magnético se vuelve más fuerte y la energía de las partículas aumenta», explicó 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 blazares para ver si se puede detectar una polarización similar.
La investigación ha sido publicada en Nature Astronomy.
