El telescopio IXPE ayuda a resolver el misterio del chorro de blazar

Una onda de choque interna resulta la mejor explicación para la aceleración de partículas observada en los chorros de alta energía que expulsan los blazares.

Entre los objetos más brillantes del cielo, los blazares consisten en un agujero negro supermasivo que se alimenta del material que gira a su alrededor en un disco, que puede crear dos poderosos chorros perpendiculares al disco en cada lado.

Durante décadas, los científicos se han preguntado: ¿Cómo se aceleran las partículas en estos chorros a energías tan altas? y la nueva investigación, en la que ha sido clave el satélite IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) de la NASA resuelve el misterio.

"Finalmente tuvimos todas las piezas del rompecabezas, y la imagen que hicieron fue clara", dijo en un comunicado Yannis Liodakis, autor principal del estudio y astrónomo de FINCA, el Centro de Astronomía de Finlandia con ESO (European Southern University).

Lanzado el 9 de diciembre de 2021, el satélite IXPE en órbita terrestre, una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana, proporciona un tipo especial de datos que nunca antes había sido accesible desde el espacio.

Estos nuevos datos incluyen la medición de la polarización de la luz de rayos X, lo que significa que IXPE detecta la dirección e intensidad promedio del campo eléctrico de las ondas de luz que componen los rayos X. La información sobre la orientación del campo eléctrico en la luz de rayos X y el grado de polarización no es accesible para los telescopios en la Tierra porque la atmósfera absorbe los rayos X del espacio.

"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", dijo Immacolata Donnarumma, la científico del proyecto para IXPE en la Agencia Espacial Italiana. "IXPE continuará brindando nueva evidencia a medida que se analicen los datos actuales y se adquieran datos adicionales en el futuro".

El nuevo estudio usó IXPE para apuntar a Markarian 501, un blazar en la constelación de Hércules. Este sistema activo de agujeros negros se encuentra en el centro de una gran galaxia elíptica.

IXPE vio Markarian 501 durante tres días a principios de marzo de 2022, y luego nuevamente dos semanas después. Durante estas observaciones, los astrónomos utilizaron otros telescopios en el espacio y en tierra para recopilar información sobre el blazar en una amplia gama de longitudes de onda de luz, incluidas las de radio, óptica y rayos X. Mientras que otros estudios han analizado la polarización de la luz de baja energía de los blazars en el pasado, esta fue la primera vez que los científicos pudieron obtener esta perspectiva sobre los rayos X de un blazar, que se emiten más cerca de la fuente de aceleración de partículas.

"Agregar polarización de rayos X a nuestro arsenal de polarización óptica, infrarroja y de radio es un cambio de juego", dijo Alan Marscher, astrónomo de la Universidad de Boston que lidera el grupo que estudia agujeros negros gigantes con IXPE.

Los científicos descubrieron que la luz de rayos X está más polarizada que la óptica, que está más polarizada que la radio. Pero la dirección de la luz polarizada era la misma para todas las longitudes de onda de luz observadas y también estaba alineada con la dirección del chorro.

Después de comparar su información con los modelos teóricos, el equipo de astrónomos se dio cuenta de que los datos coincidían más con un escenario en el que una onda de choque acelera las partículas del chorro. Una onda de choque se genera cuando algo se mueve más rápido que la velocidad del sonido del material circundante, como cuando un avión supersónico vuela en la atmósfera de nuestra Tierra.

El estudio no fue diseñado para investigar los orígenes de las ondas de choque, que siguen siendo un misterio. Pero los científicos plantean la hipótesis de que una perturbación en el flujo del chorro provoca que una sección del mismo se vuelva supersónica. Esto podría deberse a colisiones de partículas de alta energía dentro del chorro oa cambios bruscos de presión en el límite del chorro.

"A medida que la onda de choque cruza la región, el campo magnético se vuelve más fuerte y la energía de las partículas aumenta", dijo Marscher. "La energía proviene de la energía de movimiento del material que genera la onda de choque".

A medida que las partículas viajan hacia el exterior, primero emiten rayos X porque son extremadamente energéticas. Moviéndose más hacia el exterior, a través de la región turbulenta más alejada de la ubicación del choque, comienzan a perder energía, lo que hace que emitan luz menos energética como ondas ópticas y luego de radio. Esto es análogo a cómo el flujo de agua se vuelve más turbulento después de encontrar una cascada, pero aquí, los campos magnéticos crean esta turbulencia.

Los científicos continuarán observando el blazar Markarian 501 para ver si la polarización cambia con el tiempo. IXPE también investigará una colección más amplia de blazares durante su misión principal de dos años, explorando misterios más antiguos sobre el universo. "Es parte del progreso de la humanidad hacia la comprensión de la naturaleza y todo su exotismo", dijo Marscher.