Polémica observación de iones pesados en un chorro relativista

Los agujeros negros con disco de acreción emiten chorros relativistas, tanto en sistemas binarios de masa estelar como en el centro de las galaxias. Sabemos que estos chorros contienen electrones ultrarrelativistas, pero como deberían ser neutros además tienen que emitir partículas de carga positiva; podrían ser positrones (inobservables desde la Tierra) o núcleos atómicos pesados (materia bariónica). Hasta ahora no se han observado estos iones pesados en los chorros.

María Díaz Trigo (Agencia Europea del Espacio, ESA) y varios colegas publican en Nature lo que podría ser la primera observación de materia bariónica en el chorro relativista de un agujero negro de masa estelar, en concreto en el sistema binario llamado 4U 1630-47, gracias al telescopio espacial XMM-Newton de la ESA (observación difícil que ha sido confirmada por el ATCA, Australia Telescope Compact Array). La línea de emisión más fuerte se encuentra a 7,28 keV, siendo muy delgada (su anchura es de 0,17 ± 0,05 keV); los autores afirman que lo más plausible es que esté asociada a hierro (Fe) altamente ionizado en un chorro relativista que se mueve a una velocidad mayor de 0,3 c (un tercio de la velocidad de la luz) con una inclinación relativa en dirección a la Tierra menor de 73°, es decir, que esta línea de emisión está desplazada al azul. También se observa una línea de emisión a 8,14 keV que parece asociada a níquel (Ni) altamente ionizado, pero que debería ser una línea desplazada al rojo. También se ha observado una señal que podría ser otra línea del hierro desplazada al rojo.

Por supuesto, esta observación y su interpretación son muy especulativas y generarán bastante polémica. Muchos expertos dudarán de este resultado hasta que no se repita de forma independiente dicha observación en otras fuentes binarias de rayos X. Todo el mundo espera que haya bariones en los chorros y quizás los autores del estudio han interpretado los resultados con un fuerte sesgo cognitivo. Sólo el tiempo dirá si se confirma esta observación o se necesita una interpretación alternativa.

El polémico artícuo técnico es María Díaz Trigo et al., «Baryons in the relativistic jets of the stellar-mass black-hole candidate 4U 1630-47,» Nature, AOP 13 Nov 2013. Por cierto, en español también puedes leer «Los chorros de los agujeros negros se mueven a dos tercios la velocidad de la luz,» Europa Press, 13 Nov 2013.

Francis en #rosavientos: La galaxia confirmada más antigua

Ya puedes escuchar en este enlace mi nuevo podcast en la sección ¡Eureka! de la Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción y algunos enlaces a artículos técnicos.

Esta semana ha sido noticia en algunos medios que se ha descubierto la galaxia más lejana conocida, cuya luz se emitió cuando el universo tenía 700 millones de años tras el big bang, en plena edad oscura. ¿No se conoce ninguna galaxia más lejana? La galaxia en cuestión se llama z8_GND_5296 y ha sido observada por un equipo internacional de astrónomos gracias al telescopio Keck-I situado en el volcán Mauna Kea, en Hawái, cuyo espejo segmentado de 36 trozos tiene un diámetro de 10 metros. La luz de esta galaxia presenta un desplazamiento al rojo de z = 7,51 según las medidas del espectrógrafo MOSFIRE. Se trata de la galaxia más lejana que ha sido observada gracias a la huella dactilar de las galaxias, la línea espectral de 21 centímetros del hidrógeno neutro, lo que significa que es la galaxia más lejana confirmada fuera de toda duda por espectrografía infrarroja y por ello su descubrimiento se ha publicado en la prestigiosa revista Nature. Sin embargo, se han observado galaxias más lejanas en las imágenes de cielo ultraprofundo de la nueva cámara UDF del telescopio espacial Hubble. Hay unas diez galaxias conocidas con desplazamiento al rojo z > 8, pero en todas ellas es imposible observar la huella dactilar de las galaxias y los astrónomos hablan de candidatos a galaxias, en lugar de galaxias confirmadas. El candidato a galaxia con mayor desplazamiento al rojo tiene z=12, se llama UDFj-39546284, fue observada por el telescopio espacial Hubble en septiembre de 2012 y por el espectrógrafo MOSFIRE del telescopio Keck-I en julio de 2013. La luz de este candidato a galaxia con z=12 se emitió cuando el universo tenía sólo 400 millones de años. También se han observado galaxias de alto desplazamiento al rojo cuya luz ha sido amplificada mediante lentes gravitatorias; la que tiene el récord actual es una galaxia llamada MACS 0647-JD con un valor z=11. Una de las misiones del futuro telescopio espacial James Webb, que será lanzado al espacio en 2018, será observar cientos de galaxias en la Edad Oscura del universo.

En mi blog también puedes leer «Una galaxia formando estrellas con rapidez cuando el universo tenía 700 millones de años,» 23 Oct 2013; el artículo técnico es S. L. Finkelstein et al., ”A galaxy rapidly forming stars 700 million years after the Big Bang at redshift 7.51,” Nature 502: 524–527, 24 Oct 2013; arXiv:1310.6031 [astro-ph.CO]. Más información divulgativa en Maggie McKee, “Light from farthest galaxy yet discovered breaks through cosmic fog,” Nature News, 23 Oct 2013, y Dominik A. Riechers, “Astronomy: New distance record for galaxies,” Nature502: 459–460, 24 Oct 2013.

Sobre las galaxias de mayor desplazamiento al rojo observadas por el telescopio espacial Hubble recomiendo leer a Richard S. Ellis et al., «The abundance of star-forming galaxies in the redshift range 8.5-12: New results from the 2012 Hubble Ultra Deep Field Campaign,» The Astrophysical Journal Letters 763: L7, 20 Jan 2013; arXiv:1211.6804 [astro-ph.CO]; y también P. Capak et al., «Keck-I MOSFIRE Spectroscopy of the z~12 candidate galaxy UDFj-39546284,» The Astrophysical Journal Letters 773: L14, 10 Aug 2013; arXiv:1307.4089 [astro-ph.CO].

Análogo óptico de laboratorio a una lente gravitacional

La teoría de la relatividad general predice el efecto de lente gravitacional, la curvatura de la luz en la proximidad de un objeto estelar masivo. C. Sheng (Univ. Nanjing, China) y sus colegas han usado una guía de ondas óptica microestructurada alrededor de una microesfera para imitar el espaciotiempo curvo causado por la gravedad y su efecto como lente gravitacional sobre la luz. La microesfera está incrustada en un polímero PMMA que actúa como guía de ondas plana y distorsiona el índice de refracción efectivo de la guía, imitando la curvatura del espaciotiempo. Un modelo de «juguete» (toy model) para estudiar en laboratorio las lentes gravitacionales descritas por la relatividad general. El artículo técnico es C. Sheng et al., «Trapping light by mimicking gravitational lensing,» Nature Photonics, AOP 29 Sep 2013. Recomiendo leer a Ulf Leonhardt, «Transformation optics: Gravitational lens on a chip,» Nature Photonics, AOP 20 Oct 2013.

La línea de rayos gamma a 130 GeV de Fermi-LAT apunta a fluctuación estadística

Muchos físicos creen que la famosa línea de rayos gamma observada a 133 GeV por el telescopio espacial Fermi LAT en el centro de la Vía Láctea es una señal de la aniquilación de partículas de materia oscura tipo WIMP. La búsqueda de líneas similares en cinco regiones de la Vía Láctea alejadas del centro ha sido infructuosa. Un análisis de los datos de los últimos 4,4 años basado en métodos de Montecarlo indica una significación local de 2,9 σ y significación global de 1,0 σ. Por tanto, todo indica que se trata de una simple fluctuación estadística. Nos ofrece todos los detalles técnicos del análisis Michael Gustafsson (for the Fermi-LAT collaboration), «Fermi-LAT and the Gamma-Ray Line Search,» arXiv:1310.2953 [astro-ph.HE], 10 Oct 2013.

El problema de la formación de la Luna y su geoquímica

La teoría estándar para la formación de la Luna es el impacto de un cuerpo de tamaño similar a Marte contra la Tierra primitiva. Pero hay un problema, las simulaciones por ordenador de este impacto o bien explican la dinámica temprana del momento angular del sistema Tierra-Luna, o bien son capaces de explicar la semejanza entre la composición geoquímica de la Tierra y su satélite, pero no ambas cosas. Conocemos la geoquímica lunar gracias al programa espacial Apolo que trajo 382 kilogramos de rocas lunares hasta la Tierra. El año pasado se publicaron dos modelos que proponían el impacto de un objeto de tamaño similar a la Luna, mucho menor que Marte, para tratar de resolver este «pequeño» problema, explicando de forma correcta la composición geoquímica, pero el sistema Tierra-Luna resultante tenía demasiado momento angular y el mecanismo propuesto para reducirlo no satisface a todos los expertos. Hay cosas que creemos que sabemos que sabemos, pero a veces no sabemos que no sabemos. Nos lo cuenta Daniel Clery, «Impact Theory Gets Whacked,» Science 342: 183-185, 11 Oct 2013.

La sonda Voyager 1 y el límite del Sistema Solar

«Propongo rebautizar la Voyager 1 como la Sonda de Schrödinger,» decía @Wicho (Microsiervos) en Twitter. El equipo de la misión publica hoy en Science que oficialmente en agosto de 2012 la sonda Voyager 1 abandonó la heliosfera (la burbuja definida por el plasma del viento solar que separa el Sistema Solar del espacio interestelar), cruzando la heliopausa de forma definitiva. La densidad del plasma pasó de unos 0,002 cm⁻³ en la parte exterior de la heliosfera a unos 0,08 cm⁻³ en el medio interestelar. Un cambio tan brusco en la densidad del plasma se considera una señal definitiva (aunque dicho cambio no se ha confirmado hasta abril de 2013). ¿Será esta la última vez que oiremos esta historia o habrá que poner una nueva marca en la figura de XKCD que abre esta entrada? Los autores del artículo aseguran que esta vez será la última (ellos sabrán, son los expertos). La frontera del conocimiento es como la frontera del Sistema Solar, no sabemos dónde está hasta que ya la hemos pasado de largo. Nos lo cuenta Richard A. Kerr, «It’s Official—Voyager Has Left the Solar System,» Science 341: 1158-1159, 13 Sep 2013, siendo el artículo técnico D. A. Gurnett, W. S Kurth, L. F. Burlaga, N. F. Ness , «In Situ Observations of Interstellar Plasma With Voyager 1,» Science Express, AOP, Sept 12 2013.

Por qué Sgr A* acreta materia de forma tan ineficiente

Sgr A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, ha sido observado por el telescopio espacial Chandra de rayos X. Hay una fuente puntual rodeada por una región de 2″ (segundos de arco) con estrellas muy débiles y nubes de gas. El 99% de este gas no alcanza el horizonte de sucesos de Sgr A*, porque el flujo de entrada es casi equilibrado por un flujo de salida, impidiendo que la materia capturada en esta región llegue a acercarse al horizonte. Por ello el brillo de Sgr A* en rayos X es un millón de veces menor del esperado (pues su tasa de acreción debería ser de 10^-5 masas solares por año). Que la materia cercana a Sgr A* sea eyectada es una predicción de los modelos teóricos RIAF (por Radiatively Inefficient Accretion Flows) para agujeros negros que acretan materia de forma muy ineficiente. En los próximos meses una gran nube de gas colisionará con Sgr A* y debería provocar un incremento de su luminosidad en un factor de un millón confirmando estos modelos teóricos. Habrá que estar al tanto. Nos lo cuenta Jeremy D. Schnittman, «The Curious Behavior of the Milky Way’s Central Black Hole,» Science 341: 964-965, 30 Aug 2013, que se hace eco de Q. D. Wang et al., «Dissecting X-ray–Emitting Gas Around the Center of Our Galaxy,» Science 341: 981-983, 30 Aug 2013.

El cambio de signo de la anisotropía de los rayos cósmicos alrededor de 100 TeV

IceCube, el telescopio de rayos cósmicos situado en el Polo Sur, ha recolectado 150 mil millones de sucesos producidos por muones con energía por encima de 10 TeV. Esta ingente cantidad de datos permite estudiar anisotropías al nivel de una parte en cien mil. El resultado es que la «polaridad» de la anisotropía dipolar cambia alrededor de los 100 TeV; IceTop confirma este cambio hasta los 2 PeV. Todo apunta a dos fuentes diferentes de muones, una para los de energía por debajo de 100 TeV y otra para los de energía por encima. Un misterio más a añadir a lista de problemas sin resolver que nos muestra el universo a altas energías. El artículo técnico es IceCube Collaboration, «Observation of TeV-PeV cosmic ray anisotropy with IceCube, IceTop and AMANDA,» arXiv:1308.0246, Subm. 1 Aug 2013.

Nuevos resultados de PAMELA sobre el exceso de positrones en los rayos cósmicos

El experimento PAMELA, instalado en un satélite, ha medido el flujo de positrones en los rayos cósmicos con energía de hasta 300 GeV. Durante el mínimo del último ciclo solar entre julio de 2006 y diciembre de 2009 se han observado 24.500 positrones, muchos más de los esperados. Este exceso apunta a una fuente astrofísica (quizás galáctica) que aún se desconoce. ¿Será la materia oscura? Por ahora nadie lo sabe, pero todo apunta a otra fuente exótica. El exceso también ha sido observado por AMS-02, en la Estación Espacial Internacional, cuyos datos tienen menor error pero casi coinciden con los nuevos datos publicados por PAMELA. ¿Qué será esa fuente exótica de positrones? Quizás habrá que esperar al telescopio espacial James Webb para descubrir la fuente galáctica de tipo astrofísico responsable de este exceso de positrones. El nuevo artículo técnico es PAMELA Collaboration, «The cosmic-ray positron energy spectrum measured by PAMELA,» arXiv:1308.0133, Subm. 1 Aug 2013.

Cómo distinguir estrellas de neutrones y estrellas de quarks con ondas gravitatorias

Nadie sabe si las estrellas de quarks existen, pero se publica en Science un artículo que muestra cómo distinguirlas de las estrellas de neutrones cuando están en un sistema binario y emiten radiación como un púlsar de milisegundos. Una estrella compacta en rápida rotación emite pulsos de radiación de forma periódica debido a su intenso campo magnético. Los sistemas binarios formados por dos púlsares han permitido verificar de forma indirecta la existencia de ondas gravitatorias gracias a la reducción de su periodo de emisión. Kent Yagi y Nicolás Yunes (Univ. Estatal de Montana, EEUU) afirman que las estrellas compactas en rotación rápida se deforman de forma diferente según su composición y que ello afecta a su emisión como púlsares. El resultado es que el momento cuadripolar de la radiación de los púlsares binarios es diferente entre estrella de neutrones y estrellas de quarks. La variación del periodo de emisión de los púlsares de milisegundos además de permitir comprobar la validez de la relatividad general (Premio Nobel de Física de 1993) también podría permitir descubrir la existencia de las estrellas de quarks. Para ello habría que observar uno que violara, en apariencia, la relatividad general, pero que lo hiciera siguiendo las predicciones de este nuevo artículo. Toda una sorpresa para muchos. El artículo técnico es Kent Yagi, Nicolás Yunes, «I-Love-Q: Unexpected Universal Relations for Neutron Stars and Quark Stars,» Science 341: 365-368, 26 Jul 2013.