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.

El chorro relativista de la galaxia M87 surge a solo 5,5 radios de Schwarzschild de su centro

Chorro producido en el núcleo activo de la galaxia M87, junto con detalles del chorro de 1999.

El 10% de los núcleos activos de galaxias presentan chorros relativistas alimentados por la acreción de materia en los agujeros negros supermasivos que contienen. Se publica en Science la imagen más detallada de la región de origen del chorro de la galaxia elíptica M87. La imagen es poco vistosa, pero muestra que el chorro nace en una región situada a 5,5 ± 0,4 radios de Schwarzschild del centro galáctico, lo que permite inferir que el superagujero negro de M87 está en rotación (solución de Kerr) y que la materia que cae en el disco de acreción lo hace en el mismo sentido de giro. Este nuevo resultado se ha obtenido gracias a la interferometría de radio con una longitud de onda de 1,3 mm (la imagen de arriba a la izquierda se obtuvo en 1999 con tecnología de 1,3 cm). Lo más interesante es que las simulaciones numéricas predicen ciertas estructuras en los perfiles del chorro cerca del disco de acreción que no han sido observadas. El artículo técnico es Sheperd S. Doeleman et al., «Jet-Launching Structure Resolved Near the Supermassive Black Hole in M87,» Science 338: 355-358, 19 October 2012.

Las regiones centrales de algunas galaxias son muy compactas y tan luminosas que eclipsan al resto de fuentes de energía de dicha galaxia. La explicación más plausible para los núcleos activos de galaxias (AGN), por su pequeño tamaño y su gran potencia, es la acreción de materia en un agujero negro supermasivo (cuya masa es de millones de masas solares, M_☉). Muchos AGN producen potentes chorros de partículas relativistas con una longitud de cientos, e incluso miles, de años luz. Se cree que su origen es la aceleración magnética localizada de la materia que acreta en el agujero negro que es expelida en sendos chorros transversales al disco de acreción. Sin embargo, las dificultades a la hora de observar objetos tan compactos y tan lejanos implican que aún no sabemos si estos agujeros negros son giratorios, o si el momento angular orbital del flujo de materia que acreta es paralelo o antiparalelo al espín del agujero negro.

El nuevo artículo ha estudiado la galaxia M87 que se encuentra a solo 16,7 ± 0,6 Mpc con una masa de (6,2 ± 0,4) × 10 ⁹ M_☉. Su agujero negro supermasivo tiene un radio de Schwarzschild R_SCH = 2 G M/c ² = (5,9 ± 0,4) × 10 ^-4 pc = (1,9 ± 0,12) × 10 ¹⁵ cm, que subtiende un ángulo de 7,3 ± 0,5 microsegundos de arco. El chorro relativista de M87 tiene una longitud de varios cientos de kiloparsecs y se puede observar en varias longitudes de onda (ultravioleta, óptica y de rayos X). Las nuevas observaciones de M87 se realizaron durante 3 días consecutivos con la red VLBI, compuesta por cuatro radiotelescopios, a una longitud de onda de 1,3 mm. Gracias a su gran resolución se ha podido observar el chorro relativista desde una distancia de solo 5,5 ± 0,4 R_SCH (radios de Schwarzschild). Pero lo realmente sorprendente vendrá que se descubra por qué los resultados observados no coinciden con las simulaciones numéricas y qué efectos físicos no se han tenido en cuenta en estas simulaciones.

Fermi LAT detecta por primera vez la emisión de rayos gamma de alta energía en un microcuásar (Cygnus X-3)

Los microcuásares son sistemas binarios en los que una estrella de neutrones o un agujero negro acreta materia de su compañera y que presentan un chorro relativista transversal al disco de acreción. Por primera vez el telescopio espacial Fermi de rayos gamma ha sido capaz de localizar sin ambigüedad uno de estos chorros de alta energía en un microcuásar, Cygnus X-3, una poderosa fuente binaria de rayos-X. Se trata de una emisión variable cuyo análisis detallado permitirá conocer mejor la dinámica y formación de estos chorros relativistas en discos de acreción. El artículo técnico es A. A. Abdo et al. (The Fermi LAT Collaboration), «Modulated High-Energy Gamma-Ray Emission from the Microquasar Cygnus X-3,» Science Express, Published Online November 26, 2009. Este artículo coincide esta semana con otro que proclama prácticamente el mismo descubrimiento pero realizado por el satélite de la Agencia Espacial Italiana AGILE (Astro-rivelatore Gamma ad Immagini Leggero) que estudia con detalle las emisiones de rayos X de la región Cygnus. M. Tavani et al., «Extreme particle acceleration in the microquasar Cygnus X-3,» Nature, Advance online publication 22 November 2009 [disponible gratis en ArXiv].

Cygnus X-3 (Cyg X-3) es una poderosa fuente binaria de rayos X en la que un objeto compacto entre 10 y 20 masas solares orbita una estrella de tipo Wolf–Rayet. El objeto compacto podría ser una estrella de neutrones con un disco de acreción extremadamente masivo o un agujero negro. El espectro de rayos X de Cyg X-3 es inusualmente complejo y muestra hasta 5 estados claramente diferenciados de emisión. Este espectro es mucho más complejo que el del microcuásar más famoso, Cygnus X-1, que no presenta emisión de rayos gamma de alta energía (GeV). El artículo en Nature afirma que la diferencia entre ambos es la existencia de un mecanismo de aceleración de partículas  que periódicamente produce emisiones miles de veces más energéticas que las emisiones que se observan en su estado de reposo.

Los dos estudios publicados esta semana en Nature y Science se complementan mutuamente. El trabajo de la colaboración Fermi demostrando unívocamente que la emisión de rayos X de alta energía tiene a Cyg X-3 como fuente es importante porque está separado sólo por 30 arcmin. de un púlsar muy brillante PSR J2032+4127. Los investigadores han evitado el efecto de dicho púlsar tomando datos de Cyg X-3 sólo cuando su emisión es mínima, lo que reduce a sólo el 20% el tiempo de exposición del Telescopio de Gran Apertura (LAT) de Fermi. Además, se ha requerido de un análisis estadístico de los datos muy cuidadoso pero evitar toda posible ambigüedad.

En resumen, dos trabajos que nos permitirán confrontar mejor los resultados de los modelos de simulación de microcuásares con los resultados experimentales que tanto Fermi como AGILE están obteniendo de Cygnus X-3.