17 de febrero de 2010
Jonathan McKinney (KIPAC)
Chorros de partículas surgiendo de agujeros negros en lejanas galaxias funcionan de manera diferente de lo que se pensaba, según un estudio publicado en Nature, esta semana. El nuevo estudio revela que la mayor parte de la luz del jet (rayos gamma, la forma de luz más energética del universo) se crea mucho más lejos del agujero negro de lo esperado y sugiere una forma más compleja del jet.
El estudio está liderado por el Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas y Cosmología (KIPAC), situado conjuntamente con el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, del Departamento de Energía, y la Universidad de Stanford, California, con la participación de científicos de todo el mundo, e incluye datos de más de 20 telescopios, entre ellos el telescopio KANATA en Japón, Roque de los Muchachos y Calar Alto (CSIC- Max Planck) en España, y el telescopio espacial Fermi.
Muy por encima del plano de la galaxia de la Vía Láctea, las galaxias brillantes llamadas blazares dominan el cielo en rayos gamma, puntos discretos en el fondo oscuro del Universo. A medida que la materia próxima cae en el agujero negro del centro de un blazar, “alimenta” al agujero negro, y dispersa parte de esa energía de vuelta al Universo como un chorro de partículas.
“Siendo los más grandes aceleradores de partículas del Universo, es importante entender los jets de los blazares”, dijo Masaaki Hayashida, investigador del KIPAC, quien sirve como autor correspondiente en el artículo junto al astrofísico de KIPAC Greg Madejski. “Pero, cómo se producen y cómo están estructurados, aún no se entiende bien. Seguimos intentando comprender los fundamentos”.
Los investigadores habían teorizado previamente que tales jets se mantienen unidos por fuertes paquetes de líneas de campo magnético, mientras que la luz del jet la crean las partículas que giran alrededor de estos manojos delgados de “líneas” de campo magnético.
Sin embargo, hasta ahora, los detalles han sido relativamente poco conocidos. El estudio reciente desencaja con la comprensión vigente de la estructura del jet, revelando una nueva visión de estas bestias misteriosas y poderosas.
“Este trabajo es un paso significativo hacia la comprensión de la física de estos chorros”, dijo el Director de KIPAC, Roger Blandford. “Es este tipo de observación que va a hacer posible que nos imaginemos su anatomía”.
Localizando los rayos gamma
Durante un año completo de observaciones, los investigadores se centraron en un particular jet de blazar, ubicado en la constelación de Virgo, monitoreándolo en diferentes longitudes de onda de la luz: rayos gamma, rayos X, ópticas, infrarrojas y de radio. Los blazares parpadean continuamente y los investigadores esperaban cambios continuos en todos los tipos de luz. A mitad de año, sin embargo, los investigadores observaron un cambio espectacular en la emisión óptica y de rayos gamma del chorro: destellos de rayos gamma de 20 días de duración acompañados de un cambio drástico en la luz óptica del jet.
Aunque la mayor parte de luz óptica no está polarizada (consta de rayos de luz con una mezcla igual de todas las polarizaciones o direcciones) el doblado extremo de las partículas energéticas en torno a una línea de campo magnético puede polarizar la luz. Durante los destellos de rayos gamma de 20 días de duración, la transmisión de luz óptica del jet cambia su polarización. Esta conexión temporal entre los cambios en la luz de rayos gamma y los cambios en la luz óptica sugiere que ambos tipos de luz se crean en la misma región geográfica del jet, durante esos 20 días, y que algo en el entorno local se altera para causar la variación de la luz, tanto la óptica como la de rayos gamma.
“Tenemos una idea relativamente buena de en qué parte del chorro se crea la luz óptica; ahora que sabemos que los rayos gamma y la luz óptica se crean en el mismo lugar, podemos, por primera vez, determinar de dónde provienen los rayos gamma”, dijo Hayashida.
Este conocimiento tiene implicaciones de largo alcance acerca de cómo la energía se escapa de un agujero negro. La gran mayoría de la energía liberada en un jet se escapa en forma de rayos gamma, y los investigadores pensaban que toda esta energía debería ser liberada cerca del agujero negro, cerca de donde la materia que fluye hacia el agujero negro cede su energía en el primer lugar. Sin embargo, los nuevos resultados sugieren que, como en el caso de la luz óptica, los rayos gamma se emiten relativamente lejos del agujero negro. Esto, dijeron Hayashida y Madejski, en cambio, sugiere que las líneas del campo magnético de alguna manera deben ayudar a la energía a viajar lejos del agujero negro antes que sea liberada en forma de rayos gamma.
“Lo que encontramos fue muy diferente de lo que esperábamos”, dijo el Madejski. “Los datos sugieren que los rayos gamma son producidos no a uno o dos días luz del agujero negro (como se esperaba), sino a cerca de un año luz. Esto es sorprendente”.
Repensando la estructura de los jets
Además de revelar en cuál lugar del jet se produce la luz, el cambio gradual en la polarización de la luz óptica también revela algo inesperado acerca de la forma general del chorro: el jet parece curvarse a medida que viaja alejándose del agujero negro.
“En un momento durante un destello de rayos gamma, la polarización rota 180 grados a medida que la intensidad de la luz va cambiando”, dijo Hayashida. “Esto sugiere que todo el jet se curva”.
Esta nueva comprensión del funcionamiento interno y construcción de un blazar requiere un nuevo modelo de trabajo de la estructura del jet, uno en el que el chorro se curve espectacularmente y que la luz más energética se origine lejos del agujero negro. En esto, dijo Madejski, es lo que los teóricos deben introducirse. “Nuestro estudio representa un desafío muy importante para los teóricos: ¿cómo se puede construir un jet que pueda estar llevando energía tan lejos del agujero negro? Y ¿cómo podremos detectarlo? Tomar en cuenta las líneas de campo magnético no es sencillo. Los cálculos relacionados son analíticamente difíciles de hacer, y deben ser resueltos con esquemas numéricos muy complejos”.
El teórico Jonathan McKinney, becario Einstein de la Universidad de Stanford y experto en la formación de chorros magnetizados, está de acuerdo en que los resultados plantean tantas preguntas como las respuestas que proveen. “Ha habido una controversia de larga data acerca de estos jets (más precisamente acerca de cuál lugar exactamente proviene la emisión de rayos gamma). Este trabajo limita los tipos de modelos de jets que son posibles”, dijo McKinney, quien no está asociado al este estudio reciente. “Desde el punto de vista teórico, estoy entusiasmado porque significa que tenemos que repensar nuestros modelos”.
A medida que los teóricos consideren cómo las nuevas observaciones se ajustan a los modelos de cómo operan los jets, 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. “Se necesita una cantidad masiva de coordinación para llevar a cabo este tipo de estudio, que incluye más de 250 científicos y datos de unos 20 telescopios. Pero vale la pena”.
Con éste y con varios estudios futuros en múltiples longitudes de onda, los teóricos tendrán una nueva perspectiva bajo la cual construir los modelos de cómo operan los más grandes aceleradores del Universo.
Más información en:
http://home.slac.stanford.edu/
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Etiquetas: agujero negro, blazares, jets
