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Rápidos cambios en un agujero negro ayudarán a entender el origen de la radiación más energética del universo

Un equipo de la Universidad de Valencia ha observado el agujero negro de la galaxia activa PKS1830-211 justo durante el suceso energético de rayos gamma más violento registrado en esa fuente. Los resultados de la investigación confirman las predicciones de los principales modelos.

En esta imagen del telescopio espacial Hubble de NASA/ESA podemos ver la galaxia activa distante PKG 1830-211.. / ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/I. Martí-Vidal

Algunos de los agujeros negros más masivos y lejanos del universo emiten una ingente cantidad de radiación extraordinariamente energética: son los rayos gamma. Este tipo de radiación se produce, por ejemplo, cuando la masa se convierte en energía durante las reacciones de fisión que hacen funcionar a los reactores nucleares en la Tierra.

En el caso de los agujeros negros, la radiación gamma es todavía más energética que la obtenida en los reactores nucleares y se produce mediante procesos muy distintos: los rayos gamma nacen a partir de ‘choques’ de rayos de luz contra partículas enormemente energéticas que se dan en las cercanías de los agujeros negros mediante mecanismos todavía desconocidos. Como resultado de esos choques entre la luz y la materia, las energéticas partículas dan casi todo su ímpetu a los rayos de luz y los convierten en los rayos gamma que acaban llegando a la Tierra.

Los rayos gamma nacen a partir de ‘choques’ de rayos de luz contra partículas enormemente energéticas que se dan en las cercanías de los agujeros negros

Sospecha la comunidad astronómica que estos choques suceden en regiones permeadas por potentes campos magnéticos sometidos a procesos muy variables, como turbulencias y reconexiones magnéticas que podrían estar ocurriendo en los chorros de materia expelida por los agujeros negros. Pero sondear estos campos magnéticos tan lejanos a la Tierra –algunos se encuentran a miles de millones de años luz– requiere de instrumentos de observación especialmente sensibles y de bastante tino para dar con el momento exacto en que se produce la emisión de alta energía.

Esto es, precisamente, lo que ha conseguido el equipo de investigación que dirige Iván Martí-Vidal, investigador CIDEGENT de la Generalitat Valenciana en el Observatori Astronòmic y el Departament d’Astronomia de la Universitat de València, y autor principal de este trabajo. El Atacama Large Milimetre Array (ALMA) de Chile, el telescopio más sensible y preciso del mundo a las longitudes de ondas milimétricas, ha desempeñado un importante papel aportando información sobre los lejanos campos magnéticos donde se encuentran las partículas de energía expulsadas por los agujeros negros.

Los campos magnéticos en la región donde se encuentran las partículas más energéticas del chorro expelido por el agujero negro estuvieron cambiando su estructura en un intervalo de solo unos pocos minutos

En un artículo recién publicado por la revista Astronomy & Astrophysics, los científicos reportan observaciones del agujero negro PKS1830-211, situado a más de diez mil millones de años luz de la Tierra. Estas observaciones demuestran que los campos magnéticos en la región donde se encuentran las partículas más energéticas del chorro expelido por este agujero negro estuvieron cambiando notablemente su estructura en un intervalo de tiempo de solo unos pocos minutos.

“Esto implica que los procesos magnéticos se están originando en regiones muy pequeñas y turbulentas, justo como predicen los principales modelos de producción de rayos gamma en agujeros negros, que relacionan las turbulencias con la radiación gamma”, explica Martí-Vidal en un comunicado. Por otro lado, añade que los cambios detectados “tuvieron lugar durante el episodio de emisión de rayos gamma, lo que nos permite, además, relacionarlos con la emisión de alta energía. Todo esto nos acerca un poco más a la comprensión del origen de la radiación más energética del universo”.

Animación donde se muestra el cambio en la polarización de una de las imágenes del agujero negro (parte superior) comparada con la otra imagen del mismo objeto (parte inferior), que está retrasada unos 27 días respecto a la primera.

Interferometría y nuevos algoritmos

Para analizar estos datos, el equipo de Iván Martí-Vidal ha utilizado una avanzada técnica de análisis que permite obtener información de fuentes rápidamente cambiantes a partir de datos interferométricos, como los que obtiene ALMA. La interferometría, explica, “nos da el poder de observar el universo con un nivel de detalle sin parangón; de hecho, es la técnica en que se basa también el Event Horizon Telescope (EHT), que hace poco obtuvo la primera imagen de un agujero negro”.

“Los procesos magnéticos se están originando en regiones muy pequeñas y turbulentas, justo como predicen los principales modelos de producción de rayos gamma en agujeros negros”, señala el autor principal

“Una parte de nuestro proyecto CIDEGENT está dedicada, de hecho, a desarrollar algoritmos como el que hemos usado en estas observaciones de ALMA, pero aplicables a datos mucho más complejos como los del EHT, lo que nos permitiría reconstruir ‘películas’ de agujeros negros, en lugar de meras imágenes”, comenta el astrónomo de la Universitat de València.

Alejandro Mus, investigador predoctoral CIDEGENT en el Departament d’Astronomia de la Universitat y otro de los firmantes del artículo, desarrolla su tesis doctoral en este campo: “Dentro del proyecto EHT hay multitud de expertos de varias instituciones trabajando contrarreloj sobre este tema. De momento, el algoritmo que hemos desarrollado funciona con los datos de ALMA y ya ha permitido obtener información clave sobre cómo cambian los campos magnéticos asociados a PKS1830-211 a escalas de unas pocas decenas de minutos”.

“Esperamos, en breve, poder aportar nuevos datos al EHT mediante algoritmos más sofisticados en los que estamos trabajando”, concluye Mus.

En el estudio, han colaborado con la Universitat de València investigadores del Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory (Suecia), el Institute for Astrophysical Research, Boston University (USA) y el Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC (Granada).

Referencia:

Astronomy & Astrophysics: “ALMA full polarization observations of PKS1830-211 during its record-breaking flare of 2019”. I. Marti-Vidal, S. Muller, A. Mus, A. Marscher, I. Agudo, J. L. Gomez. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038094

Fuente:
UV
Derechos: Creative Commons.
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