El blazar BL Lacertae, un agujero negro supermasivo rodeado por un disco brillante y chorros orientados hacia la Tierra, brindó a los científicos una oportunidad única para responder a una pregunta de larga data: ¿cómo se generan los rayos X en entornos extremos como este?
El IXPE (Explorador de Polarimetría de Rayos X por Imágenes) de la NASA colaboró con radiotelescopios y telescopios ópticos para encontrar respuestas. Los resultados, disponibles en el servidor de preimpresión arXiv y que se publicarán en la revista Astrophysical Journal Letters, muestran que las interacciones entre electrones de rápido movimiento y partículas de luz, llamadas fotones, deben conducir a esta emisión de rayos X.
Los científicos tenían dos posibles explicaciones contrapuestas para los rayos X: una relacionada con los protones y otra con los electrones. Cada uno de estos mecanismos tendría una firma diferente en la polarización de la luz de rayos X. La polarización es una propiedad de la luz que describe la dirección promedio de las ondas electromagnéticas que la componen.
Si los rayos X en los chorros de un agujero negro están altamente polarizados, esto significaría que son producidos por protones que giran en el campo magnético del chorro o por protones que interactúan con los fotones del chorro. Si los rayos X tienen un grado de polarización menor, esto sugeriría que las interacciones electrón-fotón conducen a la producción de rayos X.
IXPE, lanzado el 9 de diciembre de 2021, es el único satélite en vuelo en la actualidad que puede realizar dicha medición de polarización.
«Este era uno de los mayores misterios sobre los chorros de agujeros negros supermasivos», afirmó Iván Agudo, autor principal del estudio y astrónomo del Instituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC) en España. «Y IXPE, con la ayuda de varios telescopios terrestres de apoyo, finalmente nos proporcionó las herramientas para resolverlo».
Los astrónomos descubrieron que los electrones debían ser los responsables mediante un proceso llamado Dispersión Compton. La dispersión Compton (o efecto Compton) ocurre cuando un fotón pierde o gana energía tras interactuar con una partícula cargada, generalmente un electrón. En los chorros de agujeros negros supermasivos, los electrones se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. IXPE ayudó a los científicos a comprender que, en el caso de un chorro de blázar, los electrones tienen suficiente energía para dispersar fotones de luz infrarroja hasta longitudes de onda de rayos X.
BL Lacertae (BL Lac, para abreviar) es uno de los primeros blázares descubiertos; originalmente se creía que era una estrella variable en la constelación de Lacerta. IXPE observó BL Lac a finales de noviembre de 2023 durante siete días, junto con varios telescopios terrestres que midieron simultáneamente la polarización óptica y de radio. Si bien IXPE había observado BL Lac anteriormente, esta observación fue especial. Casualmente, durante las observaciones de polarización de rayos X, la polarización óptica de BL Lac alcanzó un valor elevado: 47,5 %.
«Este no solo fue el BL Lac más polarizado de los últimos 30 años, sino también el blazar más polarizado jamás observado», afirmó Ioannis Liodakis, uno de los autores principales del estudio y astrofísico del Instituto de Astrofísica FORTH en Grecia.
El IXPE descubrió que los rayos X estaban mucho menos polarizados que la luz óptica. El equipo no pudo medir una señal de polarización fuerte y determinó que los rayos X no pueden tener una polarización superior al 7,6 %. Esto demostró que la interacción de los electrones con los fotones, mediante el efecto Compton, debe explicar los rayos X.
«El hecho de que la polarización óptica fuera mucho mayor que en rayos X solo puede explicarse por la dispersión Compton», afirmó Steven Ehlert, científico del proyecto IXPE y astrónomo del Centro Marshall de Vuelos Espaciales.
«IXPE ha logrado resolver otro misterio sobre los agujeros negros», afirmó Enrico Costa, astrofísico en Roma del Instituto de Astrofísica y Planetología Espacial del Instituto Nacional de Astrofísica. Costa es uno de los científicos que concibió este experimento y lo propuso a la NASA hace 10 años, bajo la dirección de Martin Weisskopf, el primer investigador principal de IXPE.
«La visión polarizada en rayos X de IXPE ha resuelto varios misterios antiguos, y este es uno de los más importantes. En otros casos, los resultados de IXPE han cuestionado opiniones consolidadas y han desvelado nuevos enigmas, pero así es la ciencia y, sin duda, IXPE está haciendo muy buena ciencia».
¿Qué sigue para la investigación de blazares?
«Queremos intentar encontrar la mayor cantidad posible de estos», dijo Ehlert. «Los blazares cambian bastante con el tiempo y están llenos de sorpresas».
Con información de arXiv
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