Cambios en un agujero negro para entender el origen de la radiación más energética del Universo

Un equipo del Observatori Astronòmic de la Universitat de València (UV) ha conseguido observar el agujero negro de la galaxia activa PKS1830-211 justo durante el suceso energético de rayos gamma más violento registrado en esa fuente. Los científicos han descubierto cambios muy rápidos en la estructura de sus campos magnéticos que confirman las predicciones de los principales modelos de producción de rayos gamma en agujeros negros. El fenómeno, observado mediante el telescopio ALMA, aporta nuevos datos al estudio sobre el origen de la radiación más energética del Universo.

Algunos de los agujeros negros más masivos y lejanos del Universo emiten una ingente cantidad de radiación extraordinariamente energética. Son los ‘rayos gamma’. Este tipo de radiación se produce, por ejemplo, cuando la masa se convierte en energía durante las reacciones de fisión que hacen funcionar a los reactores nucleares en la Tierra. Pero, en el caso de los agujeros negros, la radiación gamma es todavía más energética que la obtenida en los reactores nucleares y se produce mediante procesos muy distintos; allí los rayos gamma nacen a partir de ‘choques’ de rayos de luz contra partículas enormemente energéticas que se dan en las cercanías de los agujeros negros mediante mecanismos todavía desconocidos.

Como resultado de esos choques entre la luz y la materia, las energéticas partículas dan casi todo su ímpetu a los rayos de luz y los convierten en los rayos gamma que acaban llegando a la Tierra.

Sospecha la comunidad científica astronómica que estos choques suceden en regiones permeadas por potentes campos magnéticos sometidos a procesos muy variables, como turbulencias y reconexiones magnéticas –campos magnéticos que fusionan liberando una cantidad asombrosa de energía– que podrían estar ocurriendo en los chorros de materia expelida por los agujeros negros. Pero sondear estos campos magnéticos tan lejanos a la Tierra –algunos de estos agujeros se encuentran a miles de millones de años luz– requiere de instrumentos de observación especialmente sensibles y de bastante tino para dar con el momento exacto en que se produce la emisión de alta energía.

Esto es, precisamente, lo que ha conseguido el equipo de investigación que dirige Iván Martí-Vidal, investigador CIDEGENT de la Generalitat Valenciana en el Observatori Astronòmic y el Departament d’Astronomia de la Universitat de València, y autor principal de este trabajo. Y aquí es donde desempeña un importante papel el telescopio ALMA (Atacama Large Milimetre Array), el más sensible y preciso del mundo a las longitudes de onda milimétricas, que aportan información sobre los lejanísimos campos magnéticos donde se encuentran las partículas de energía expulsadas por los agujeros negros.

En un artículo recién publicado por la revista Astronomy & Astrophysics, los científicos reportan observaciones del agujero negro llamado PKS1830-211, situado a más de diez mil millones de años luz de la Tierra. Estas observaciones demuestran que los campos magnéticos en la región donde se encuentran las partículas más energéticas del chorro expelido por este agujero negro estuvieron cambiando notablemente su estructura en un intervalo de tiempo de solo unos pocos minutos. “Esto implica que los procesos magnéticos se están originando en regiones muy pequeñas y turbulentas, justo como predicen los principales modelos de producción de rayos gamma en agujeros negros, que relacionan las turbulencias con la radiación gamma”, explica Iván Martí-Vidal. “Por otra parte, los cambios que hemos detectado tuvieron lugar durante el episodio de emisión de rayos gamma, lo que nos permite, además, relacionarlos con la emisión de alta energía. Todo esto nos acerca un poco más a la comprensión del origen de la radiación más energética del Universo”, añade.

Interferometría y nuevos algoritmos

Para analizar estos datos, el equipo de Iván Martí-Vidal ha utilizado una avanzada técnica de análisis que permite obtener información de fuentes rápidamente cambiantes a partir de datos interferométricos, como los que obtiene ALMA. “La interferometría nos da el poder de observar el Universo con un nivel de detalle sin parangón; de hecho, es la técnica en que se basa también el Event Horizon Telescope (EHT), que hace poco obtuvo la primera imagen de un agujero negro”, señala Martí-Vidal. “Una parte de nuestro proyecto CIDEGENT está dedicada, de hecho, a desarrollar algoritmos como el que hemos usado en estas observaciones de ALMA, pero aplicables a datos mucho más complejos como los del EHT, lo que nos permitiría reconstruir, en un futuro no muy lejano, ‘películas’ de agujeros negros, en lugar de meras imágenes”, comenta el astrónomo de la Universitat de València.

Alejandro Mus, investigador predoctoral CIDEGENT en el Departament d’Astronomia de la UV y otro de los firmantes del artículo, desarrolla su tesis doctoral en este campo. “Dentro del proyecto EHT hay multitud de expertos de varias instituciones trabajando contrarreloj sobre este tema”, afirma Mus. “De momento, el algoritmo que hemos desarrollado funciona con los datos de ALMA y ya ha permitido obtener información clave sobre cómo cambian los campos magnéticos asociados a PKS1830-211 a escalas de unas pocas decenas de minutos. Esperamos, en breve, poder aportar nuevos datos al EHT mediante algoritmos más sofisticados en los que estamos trabajando”, concluye.

En el estudio, han colaborado con la Universitat de València investigadores del Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory (Suecia), el Institute for Astrophysical Research, Boston University (USA) y el Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC (Granada).

Referencia del artículo y enlace

I. Marti-Vidal, S. Muller, A. Mus, A. Marscher, I. Agudo, J. L. Gomez. ALMA full polarization observations of PKS1830-211 during its record-breaking flare of 2019.

Vídeo: Animación donde se muestra el cambio en la polarización de una de las imágenes del agujero negro (parte superior) comparada con la otra imagen del mismo objeto (parte inferior), que está retrasada unos 27 días respecto a la primera. La imagen retrasada en el tiempo se corresponde con el agujero negro antes de producirse el estallido de alta energía.

Fuente: UV







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