Observaciones de rayos gamma de un microcuásar revelan dónde y cómo se acelera su chorro de partículas

Cuando el autor de ciencia ficción Arthur C. Clarke seleccionó sus propias siete maravillas del mundo para una serie de la BBC en 1997, el único objeto astronómico que incluyó fue SS 433, que ya venía llamando la atención desde finales de los años 70 por sus chorros de rayos X.

SS 433 es un sistema binario formado por un agujero negro y una estrella que orbitan entre sí. La pareja se encuentra en el centro de una nebulosa gaseosa llamada Manatí, por su forma parecida a la de estos mamíferos acuáticos, y probablemente relacionada con la ‘muerte’ de la antigua estrella que dio lugar al agujero negro.

Ahora, el intenso campo gravitatorio de este agujero arranca de su estrella compañera un material que se va acumulando en un disco de gas. A medida que la materia cae hacia dentro, se lanzan dos potentes chorros de partículas cargadas (plasma), perpendiculares al plano del disco y a una velocidad que llega a alcanzar un cuarto de la de la luz.

Ilustración del sistema SS 433. / ESO

Estos chorros o jets relativistas se pueden detectar desde hace tiempo en los rangos de radio y rayos X hasta una distancia de menos de un año luz a cada lado del sistema binario. Después, se vuelven cada vez más tenues e invisibles debido a la llamada expansión adiabática, un proceso en el que no se produce radiación observable.

Sin embargo, sorprendentemente, a unos 75-80 años luz (25 pársecs) de distancia de su lugar de lanzamiento, de repente reaparecen como fuentes de rayos X muy brillantes.

Como se conocían chorros relativistas similares –aunque mucho mayores– procedentes de los centros de galaxias activas (por ejemplo, cuásares), esta analogía llevó a clasificar a SS 433, que está en nuestra propia galaxia, y otros objetos similares como microcuásares.

"Los chorros más famosos asociados con agujeros negros supermasivos son los que se originan en el centro de otras galaxias: son mucho más potentes y rápidos que los de SS 433, pero también están muchísimo más lejos, lo que dificulta su estudio", explica a SINC Laura Olivera Nieto, del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK, por sus siglas en alemán), "especialmente en el contexto de los rayos gamma y la aceleración de partículas".

Pero esto es justo lo que ha estudiado junto a otros investigadores del MPIK y varios centros internacionales, y los resultados, publicados en Science, determinan por primera vez el origen de la emisión de rayos gamma dentro de estos jets de partículas.

"Los chorros en otras galaxias son uno de los principales sospechosos para explicar el origen de los rayos cósmicos más energéticos que conocemos, y los rayos gamma trazan la presencia de esos rayos cósmicos (con electrones y otras partículas), por lo que se pueden usar para estudiar esos procesos", apunta Olivera.

Descubrir el dónde y el cómo

Según la investigadora, "el problema es que al estar tan lejos, los instrumentos actuales de rayos gamma son incapaces de distinguir dónde y cómo se aceleran partículas en los chorros de otras galaxias. Pero ahora, con este trabajo, hemos sido capaces de responder estas preguntas usando jets más cercanos: los de SS 433", subraya.

En 2018 el observatorio HAWC (High Altitude Water Cherenkov), localizado en México, fue el primero que logró detectar rayos gamma de muy alta energía procedentes de los chorros de este microcuásar.

Fue toda una sorpresa para los científicos, ya que significaba que en algún punto de los jets las partículas se aceleran hasta alcanzar energías extremas. Esto llevó a los autores a investigar más con los datos de un observatorio que ofrecía mayor resolución: HESS (High Energy Stereoscopic System), situado en las tierras altas de Namibia.

Observatorio HESS, en Namibia. / Sabine Gloaguen

"El principal resultado es que la posición de la radiación gamma dentro de los chorros depende de la energía de la radiación: a más alta energía, más cerca del punto donde los chorros vuelven a aparecer (a 25 pársecs del agujero negro)", explica Olivera, "por tanto, esto nos indica 'dónde' se aceleran las partículas: hay un acelerador en el punto donde los jets reaparecen".

El equipo ha descubierto que este acelerador es capaz de energizar electrones hasta más de 200 teraelectronvoltios (TeV), lo que supone el límite teórico de lo que se cree posible para este tipo de objetos.

Por el contrario, las regiones que emiten rayos gamma con energías más bajas (inferiores a 10 TeV) se presentan más a lo largo de cada jet del microcuásar.

Aparece una discontinuidad

Por otra parte, los autores también han podido medir la velocidad de los chorros cuando reaparecen y confirmar que hay algún tipo de discontinuidad en el medio.

"Uno de los mecanismos teóricos que se sabe que son capaces de acelerar partículas tan eficazmente son discontinuidades en las propiedades (velocidad, densidad) del medio, llamados shocks o 'choques'. De esta manera hemos sido capaces de identificar cómo se aceleran partículas dentro del jet.

El estudio se ha centrado en los electrones del chorro, ya que producen radiación más fácilmente que los protones y son más evidentes. "Pero se sabe que los jets de SS 433 contienen iones (níquel, hierro, protones...) y no hay ningún motivo por el cual el acelerador no debería acelerar estos exactamente igual que a los electrones, incluso a energías más altas porque sufren menos pérdidas radiativas (por eso son menos evidentes)", aclara Olivera.

Imágenes de SS 433 que, dentro de la nebulosa Manatí, muestran tres rangos diferentes de energía de rayos gamma detectadas por HESS a energías baja (0,8-2,5 TeV, izquierda), intermedia (2,5-10 TeV, centro) y alta (>10 TeV, derecha). / Fondo: NRAO/AUI/NSF, K. Golap, M. Goss; Wide Field Survey Ex-plorer (WISE) de la NASA; Rayos X (contornos verdes): ROSAT/M. Brinkmann; TeV (colores rojos): Colaboración H.E.S.S.

Sin embargo, no se conoce nada sobre el origen de esos choques en los lugares donde reaparece el chorro. "Aún no tenemos un modelo que pueda explicar todas las propiedades de los jets, ni ninguno ha predicho todavía esa característica", reconoce la astrofísica, a quien le gustaría centrarse ahora en esa tarea.

"Estos resultados implican que los microcuásares son capaces de producir una alta fracción de los rayos cósmicos de más alta energía dentro de la Vía Láctea", concluye Olivera, "y si esta aceleración ocurre en los chorros de SS 433, implica que procesos similares pueden suceder en los jets del centro de otras galaxias, capaces de producir los rayos cósmicos de energías más altas que se detectan".

Referencia:

H.E.S.S. Collaboration. "Acceleration and transport of relativistic electrons in the jets of the microquasar SS 433". Science, 2024

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