La astronomía moderna se ha aferrado a la creencia de que los chorros relativistas, responsables de la existencia de la radiación electromagnética de energías especialmente altas, se encuentran en los núcleos de galaxias activas distantes de la Tierra. Sin embargo, una imagen diferente de la realidad surge de los últimos datos del observatorio HAWC: los chorros lanzados por fuentes astrofísicas desde nuestro propio «patio trasero» intragaláctico también son fuentes de fotones gamma de energía extremadamente alta.
La radiación electromagnética de energías extremadamente altas se produce no solo en los chorros lanzados desde núcleos activos de galaxias distantes, sino también en objetos que lanzan chorros que se encuentran dentro de la Vía Láctea, llamados microcuásares. Este último hallazgo de los científicos del Observatorio Internacional de Rayos Gamma Cherenkov de Aguas a Gran Altitud (HAWC) cambia radicalmente la comprensión previa de los mecanismos responsables de la formación de la radiación cósmica de energía ultraalta y en la práctica marca una revolución en su estudio posterior.
Desde que en 1912 Victor Hess descubrió la radiación cósmica, los astrónomos han creído que los cuerpos celestes responsables de la aceleración de estas partículas hasta las energías más altas en nuestra galaxia son los restos de gigantescas explosiones de supernovas, llamados remanentes de supernova.
Sin embargo, los últimos datos del observatorio HAWC ofrecen una imagen diferente: las fuentes de radiación de energías extremadamente altas resultan ser microcuásares. Los astrofísicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia desempeñaron un papel clave en el descubrimiento.
El estudio se publica en la revista Nature.
El observatorio HAWC se construyó en la ladera del volcán Sierra Negra en México con el objetivo de registrar partículas y fotones entrantes desde el espacio a energías particularmente altas. La instalación consta de 300 tanques de agua de acero equipados con fotomultiplicadores sensibles a los destellos fugaces de luz, conocidos como radiación Cherenkov. Esta aparece en el tanque cuando una partícula que viaja a una velocidad superior a la de la luz en el agua cae en él.
Normalmente, el HAWC captura fotones gamma con energías que van desde cientos de gigaelectronvoltios hasta cientos de teraelectronvoltios. Se trata de energías hasta un billón de veces mayores que la energía de los fotones de luz visible y más de una docena de veces mayores que la energía de los protones acelerados en el acelerador Gran Colisionador Hadrónico (LHC).
Los agujeros negros supermasivos dentro de los cuásares, es decir, los núcleos activos de algunas galaxias (objetos con masas enormes, que se cuentan por cientos de millones de masas solares) aceleran y absorben materia del disco de acreción que los rodea. Durante este proceso, corrientes de materia muy estrechas y muy largas, llamadas chorros, son expulsadas desde cerca de los polos del agujero negro, en ambas direcciones a lo largo de su eje de rotación. Estas corrientes se mueven a velocidades a menudo cercanas a la velocidad de la luz, lo que da lugar a ondas de choque, y es allí donde se producen fotones de energías extremadamente altas, que alcanzan hasta cientos de teraelectronvoltios.
Los cuásares se encuentran entre los objetos que se encuentran muy lejos de nosotros y que se encuentran en los núcleos de otras galaxias. El más cercano (Markarian 231) se encuentra a 600 millones de años luz de la Tierra. No ocurre lo mismo con los microcuásares, que son sistemas binarios compactos, formados por una estrella masiva y su agujero negro que absorbe materia, que emiten chorros de longitudes de cientos de años luz. Solo en nuestra galaxia se han descubierto hasta ahora varias decenas de objetos de este tipo.
«Los fotones detectados de los microcuásares suelen tener energías mucho más bajas que los de los cuásares. Normalmente, hablamos de valores del orden de decenas de gigaelectronvoltios. Mientras tanto, hemos observado algo bastante increíble en los datos registrados por los detectores del observatorio HAWC: fotones procedentes de un microcuásar que se encuentra en nuestra galaxia, pero con energías decenas de miles de veces superiores a las habituales», afirma la Dra. Sabrina Casanova (IFJ PAN), quien, junto con el Dr. Xiaojie Wang de la Universidad Tecnológica de Michigan y el Dr. Dezhi Huang de la Universidad de Maryland, fue la primera en observar la anomalía.
Se ha descubierto que la fuente de fotones con energías de hasta 200 teraelectronvoltios es el microcuásar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr). Se encuentra en el fondo de la constelación de Sagitario, a una distancia de unos 20.000 años luz de la Tierra. El papel principal lo desempeña un agujero negro con una masa de aproximadamente seis masas solares, que atrae materia del gigante estelar con una masa tres veces mayor que la del Sol. Los objetos orbitan alrededor de un centro de masas común y dan una vuelta entre sí cada poco menos de tres días.
Curiosamente, el chorro emitido por el sistema V4641 Sgr se dirige hacia el sistema solar. En esta configuración, un observador terrestre tiene una percepción relativistamente distorsionada del tiempo de la materia al principio y al final del chorro: su frente comienza a parecer más joven de lo que es en realidad. Como resultado, el chorro parece propagarse por el espacio a una velocidad superlumínica, en este caso hasta nueve veces la velocidad de la luz.
«Resulta que el microcuásar V4641 Sgr no es único. No sólo en él, sino también en otros microcuásares detectados por el observatorio LHAASO, se detectan fotones extremadamente energéticos. Por tanto, parece probable que los microcuásares contribuyan significativamente a la radiación de rayos cósmicos de máxima energía en nuestra galaxia», añade el Dr. Casanova.
El último descubrimiento no sólo es de interés para los científicos que estudian los rayos cósmicos, sino que demuestra que, a una distancia relativamente pequeña de la Tierra, deben estar en funcionamiento mecanismos de formación de chorros y producción de fotones ultraenergéticos análogos a los que se dan en los núcleos de galaxias activas distantes, en una escala adecuada a la masa del agujero negro. Estos procesos en los microcuásares ocurren en una escala de tiempo mucho más adecuada para el ser humano: en días, no en cientos de miles o millones de años.
Además, los fotones emitidos por los microcuásares no tienen que recorrer millones de años luz del vacío cósmico, donde pueden dispersarse o absorberse durante las interacciones con los fotones de la omnipresente radiación cósmica de fondo. Todo esto significa que los astrofísicos han adquirido, por primera vez, la capacidad de realizar observaciones exhaustivas y prácticamente sin perturbaciones de procesos cruciales para la evolución de las galaxias.
Con información de Nature
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