El agujero negro M87 vuelve a sorprender a la ciencia con una potente llamarada de rayos gamma.
La primera foto de un agujero negro que conmovió al mundo en 2019, cuando el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) publicó una imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87, también conocida como Virgo A o NGC 4486, ubicada en la constelación de Virgo. Este agujero negro está sorprendiendo a los científicos nuevamente con una llamarada de rayos gamma de teraelectronvoltios, emitiendo fotones miles de millones de veces más energéticos que la luz visible. Una llamarada tan intensa no se había observado en más de una década, ofreciendo información crucial sobre cómo se aceleran las partículas, como electrones y positrones, en los entornos extremos cercanos a los agujeros negros.
El chorro que sale del centro de M87 es decenas de millones de veces, más grande que el horizonte de sucesos, o la superficie del agujero negro en sí. La brillante ráfaga de emisión de alta energía estaba muy por encima de las energías típicamente detectadas por los radiotelescopios de la región del agujero negro. La llamarada duró unos tres días y probablemente surgió de una región de menos de tres días luz de tamaño, o un poco menos de 24 mil millones de kilómetros.
Un rayo gamma es un paquete de energía electromagnética, también conocido como fotón. Los rayos gamma tienen la mayor energía de cualquier longitud de onda en el espectro electromagnético y son producidos por los entornos más calientes y energéticos del universo, como las regiones alrededor de los agujeros negros. Los fotones en la llamarada de rayos gamma de M87 tienen niveles de energía de hasta unos pocos teraelectronvoltios. Los teraelectronvoltios se utilizan para medir la energía en partículas subatómicas y son equivalentes a la energía de un mosquito en movimiento. Esta es una enorme cantidad de energía para partículas que son muchos billones de veces más pequeñas que un mosquito. Los fotones con varios teraelectronvoltios de energía son mucho más energéticos que los fotones que componen la luz visible.
A medida que la materia cae hacia un agujero negro, forma un disco de acreción donde las partículas se aceleran debido a la pérdida de energía potencial gravitacional. Algunas incluso son redirigidas lejos de los polos del agujero negro como una poderosa salida, llamada "chorros", impulsada por intensos campos magnéticos. Este proceso es irregular, lo que a menudo causa una rápida explosión de energía llamada "llamarada". Sin embargo, los rayos gamma no pueden penetrar la atmósfera de la Tierra. Hace casi 70 años, los físicos descubrieron que los rayos gamma se pueden detectar desde el suelo observando la radiación secundaria generada cuando chocan con la atmósfera.
"Todavía no entendemos completamente cómo se aceleran las partículas cerca del agujero negro o dentro del chorro", dijo Weidong Jin, investigador postdoctoral en UCLA y autor correspondiente de un artículo que describe los hallazgos publicados por un equipo internacional de autores en Astronomy & Astrophysics. "Estas partículas son tan energéticas que viajan cerca de la velocidad de la luz y queremos entender dónde y cómo obtienen tanta energía. Nuestro estudio presenta los datos espectrales más completos jamás recopilados para esta galaxia, junto con modelos para arrojar luz sobre estos procesos".
Jin contribuyó al análisis de la parte de mayor energía del conjunto de datos, llamados rayos gamma de muy alta energía, que fue recopilada por VERITAS, un instrumento de rayos gamma terrestre que opera en el Observatorio Fred Lawrence Whipple en el sur de Arizona. UCLA jugó un papel importante en la construcción de VERITAS, abreviatura de Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (Sistema de Matriz de Telescopios de Imagen de Radiación Muy Energética), participando en el desarrollo de la electrónica para leer los sensores del telescopio y en el desarrollo de software informático para analizar los datos del telescopio y simular el rendimiento del telescopio. Este análisis ayudó a detectar la llamarada, como lo indican los grandes cambios de luminosidad que son una desviación significativa de la variabilidad de la línea de base.
Más de dos docenas de instalaciones de observación terrestres y espaciales de alto perfil, incluidos los telescopios Fermi-LAT, Hubble, NuSTAR, Chandra y Swift de la NASA, junto con las tres matrices de telescopios Cherenkov de imagen atmosférica más grandes del mundo (VERITAS, H.E.S.S. y MAGIC) se unieron a esta segunda campaña del EHT y de múltiples longitudes de onda en 2018. Estos observatorios son sensibles a los fotones de rayos X, así como a los rayos gamma de alta y muy alta energía, respectivamente.
Uno de los conjuntos de datos clave utilizados en este estudio se llama distribución espectral de energía.
"El espectro describe cómo se distribuye la energía de las fuentes astronómicas, como M87, a través de diferentes longitudes de onda de la luz", dijo Jin. "Es como dividir la luz en un arcoíris y medir cuánta energía está presente en cada color. Este análisis nos ayuda a descubrir los diferentes procesos que impulsan la aceleración de partículas de alta energía en el chorro del agujero negro supermasivo".
Un análisis adicional realizado por los autores del artículo encontró una variación significativa en la posición y el ángulo del anillo, también llamado horizonte de sucesos, y la posición del chorro. Esto sugiere una relación física entre las partículas y el horizonte de sucesos, en diferentes escalas de tamaño, que influye en la posición del chorro.
"Una de las características más llamativas del agujero negro de M87 es un chorro bipolar que se extiende miles de años luz desde el núcleo", dijo Jin. "Este estudio brindó una oportunidad única para investigar el origen de la emisión de rayos gamma de muy alta energía durante la llamarada e identificar la ubicación donde se están acelerando las partículas que causan la llamarada. Nuestros hallazgos podrían ayudar a resolver un debate de larga data sobre los orígenes de los rayos cósmicos detectados en la Tierra".
Fuente y enlace a la investigaciòn:
1- JC Algaba et al. Propiedades de banda ancha multilongitud de onda de M87 durante la campaña EHT de 2018, incluido un episodio de llamaradas de muy alta energía. Astronomy & Astrophysics, 2024; 692: A140 DOI: 10.1051/0004-6361/202450497