Esta ilustración de la NASA muestra la estructura de un chorro de agujero negro inferido a partir de observaciones recientes del blazar Markarian 421 realizadas por Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). El chorro es impulsado por un disco de acreción, que se muestra en la parte inferior de la imagen, que orbita y finalmente cae en el agujero negro. Los campos magnéticos espirales pasan a través del flujo. Las observaciones del IXPE mostraron que los rayos X deben ser generados por un choque proveniente de la materia espiral alrededor de los campos magnéticos helicoidales. El recuadro muestra la parte delantera del propio amortiguador. Los rayos X se generan en la región blanca más cercana al frente de choque, mientras que las emisiones ópticas y de radio deben provenir de áreas más turbulentas más alejadas del choque. Crédito: NASA/Pablo García
El universo está lleno de poderosos agujeros negros supermasivos que crean poderosos chorros de partículas de alta energía, creando fuentes de brillo extremo en la inmensidad del espacio. Cuando uno de estos chorros apunta directamente a la Tierra, los científicos llaman blazar al sistema de agujeros negros.
Para comprender por qué las partículas en el chorro se mueven a altas velocidades y energías, los científicos están analizando el Explorador de polarimetría de rayos X de imágenes (IXPE) de la NASA, que se lanzó en diciembre de 2021. IXPE mide una propiedad especial de la luz de rayos X llamada polarización. que debe ocuparse de la organización de ondas electromagnéticas con frecuencias de rayos X.
Un equipo internacional de astrofísicos ha publicado nuevos hallazgos del IXPE sobre un blazar llamado Markarian 421. Ubicado en la constelación de la Osa Mayor a unos 400 millones de años luz de la Tierra, este blazar sorprendió a los científicos con la evidencia de que en la parte del chorro donde se aceleran las partículas , el campo magnético tiene estructura espiral.
“Markarian 421 es un viejo amigo de los astrónomos de alta energía”, dijo Laura Di Gesu, astrofísica de la Agencia Espacial Italiana y autora principal del nuevo artículo. “Estábamos seguros de que el blazar sería un objetivo valioso para IXPE, pero sus descubrimientos superaron nuestras expectativas más descabelladas, demostrando con éxito cómo la polarimetría de rayos X mejora nuestra capacidad para estudiar la geometría compleja del campo magnético y la aceleración de partículas en diferentes regiones de relativista. chorros. ”
Un nuevo estudio que detalla los hallazgos del equipo de IXPE en Markarian 421 está disponible en el último número astronomía de la naturaleza.
Chorros como los emitidos por Markarian 421 pueden abarcar millones de años luz. Son especialmente brillantes porque a medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, emiten enormes cantidades de energía y se comportan de la extraña forma que predijo Einstein. Los chorros de Blazar son excepcionalmente brillantes porque, al igual que la sirena de una ambulancia suena más fuerte cuando se acerca, una luz dirigida hacia nosotros también parece más brillante. Por lo tanto, los blazares pueden eclipsar a todas las estrellas de las galaxias que los habitan.
A pesar de décadas de investigación, los científicos aún no comprenden completamente los procesos físicos que dan forma a la dinámica y la emisión de los chorros de blazar. Pero la innovadora polarimetría de rayos X de IXPE, que mide la dirección promedio del campo eléctrico de las ondas de luz, les brinda una visión sin precedentes de estos objetivos, su geometría física y de dónde provienen sus emisiones.
Los modelos de investigación de un flujo de salida típico de potentes chorros suelen mostrar una estructura de hélice espiral, similar a la organización del ADN humano. Pero lo que los científicos no esperaban era que la estructura helicoidal contuviera regiones de partículas aceleradas por choques.
IXPE descubrió una variación sorprendente en el ángulo de polarización durante tres observaciones extendidas de Markarian 421 en mayo y junio de 2022.
“Predijimos que la dirección de la polarización podría cambiar, pero pensamos que las grandes rotaciones serían raras, según las observaciones ópticas previas de muchos blazares”, dijo Herman Marshall, físico investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge y coautor del estudio. papel. “Así que planeamos varias observaciones de blazar, la primera de las cuales mostró una polarización constante del 15%.
Curiosamente, agregó, un análisis preliminar de los datos de polarización del IXPE mostró que cayó a cero entre la primera y la segunda observación.
“Entonces notamos que la polarización era más o menos la misma, pero su dirección literalmente se invirtió, girando casi 180 grados en dos días”, dijo Marshall. “Luego nos sorprendió durante la tercera observación, que comenzó un día después, cuando observamos que la dirección de polarización seguía girando al mismo ritmo”.
Aún más extraño fue que las mediciones ópticas, infrarrojas y de radio simultáneas no mostraron cambios en la estabilidad o la estructura, incluso cuando se desviaron las emisiones de rayos X polarizados. Esto significa que la onda de choque puede propagarse a lo largo de los campos magnéticos en espiral dentro del chorro.
La idea de una onda de choque acelerando las partículas del chorro es consistente con las teorías sobre Markarian 501, el segundo blazar observado por IXPE, que condujo a un estudio publicado a fines de 2022. Pero su primo Markarian 421 presenta evidencia más concluyente de que un campo magnético espiral contribuye al choque.
Di Gesu, Marshall y sus colegas están ansiosos por seguir observando Markarian 421 y otros blazares para aprender más sobre estas fluctuaciones en los chorros y con qué frecuencia ocurren.
“Con IXPE, este es un momento emocionante para estudiar chorros astrofísicos”, dijo Di Gesu.