Durante más de medio siglo, los astrofísicos han intentado responder a una pregunta aparentemente sencilla: dónde exactamente se originan los rayos X en los chorros de los agujeros negros supermasivos. Ahora, gracias a la observación más larga de un solo objetivo realizada por el telescopio espacial IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), este misterio finalmente se ha resuelto. Un equipo internacional de científicos ha logrado identificar la fuente de los rayos X en el chorro del agujero negro de la galaxia 3C 84, en el centro del Cúmulo de Perseo, y publicó los resultados en la revista The Astrophysical Journal Letters el 11 de noviembre de este año.
Se trata de un hito para la astronomía de alta energía: las nuevas mediciones muestran que los rayos X no provienen de algún "fondo" difuso alrededor del chorro, sino del propio chorro. Es la primera vez que se llega a tal conclusión mediante la medición directa de la polarización de los rayos X, que es la especialidad de la misión IXPE de la NASA, el primer observatorio espacial dedicado precisamente a este tipo de observación.
El Cúmulo de Perseo: el faro de rayos X más brillante del cielo
Para resolver el misterio, los científicos convirtieron el Cúmulo de Perseo en una especie de laboratorio cósmico. Este gigantesco cúmulo de galaxias, designado en los catálogos como Abell 426, se encuentra en la constelación de Perseo a una distancia de aproximadamente 230 a 240 millones de años luz de la Tierra. El Cúmulo de Perseo es una de las estructuras más masivas de nuestro "vecindario" y es conocido como el cúmulo de galaxias más brillante en el cielo de rayos X: entre miles de galaxias se encuentra dispersa una enorme nube de gas calentada a temperaturas comparables al interior incandescente del Sol.
En el centro de este cúmulo se encuentra la galaxia elíptica masiva NGC 1275, también conocida como Perseo A o, en catálogos de radio, 3C 84. En su núcleo reside un agujero negro supermasivo que crea un potente núcleo galáctico activo (AGN) e impulsa chorros de partículas cargadas a velocidades cercanas a la de la luz. Debido a su proximidad relativa y brillo excepcional, 3C 84 ha sido durante décadas una de las galaxias activas estudiadas con más detalle: un objetivo ideal para investigar cómo los agujeros negros moldean su entorno.
El entorno alrededor de NGC 1275 es particularmente dramático. Las imágenes en rayos X y radio muestran cavidades y "burbujas" excavadas por los chorros en el gas caliente del cúmulo, así como ondas de presión que se propagan a través del medio intracúmulo. Precisamente este entorno turbulento ha preocupado durante mucho tiempo a los astrónomos: en la multitud de fuentes de rayos X superpuestas, era extremadamente difícil separar la señal proveniente del chorro de la radiación emitida por el propio cúmulo de galaxias.
IXPE: el telescopio que "ve" la orientación de la luz
La astronomía de rayos X como disciplina existe desde hace décadas, pero IXPE aporta algo que hasta ahora faltaba: la capacidad de medir con precisión la polarización de la radiación de rayos X. La polarización describe la orientación de la oscilación de las ondas de luz. Si las ondas oscilan en todas las direcciones de forma aleatoria, la luz no está polarizada; si están alineadas significativamente, hablamos de luz polarizada. Precisamente ese grado de alineación contiene información sobre la geometría de los campos magnéticos y sobre los procesos físicos que crean fotones de alta energía.
IXPE es una misión conjunta de la NASA y la Agencia Espacial Italiana. Fue lanzada en diciembre de 2021 y está equipada con tres telescopios que enfocan los rayos X en detectores de polarización especialmente sensibles. Combinando información espacial, espectral y temporal, IXPE puede "mapear" cómo se polariza la luz en diferentes partes de la fuente, por ejemplo, a lo largo del chorro de un agujero negro o dentro de un remanente de supernova, algo que hasta ahora no era posible con ningún otro telescopio de rayos X.
El Cúmulo de Perseo no fue elegido por casualidad para la observación más larga de IXPE hasta la fecha. Además de ser excepcionalmente brillante en rayos X, en su centro se encuentra precisamente 3C 84, uno de los laboratorios más famosos para estudiar la física de los chorros. Así, en una sola campaña, la misión pudo probar simultáneamente las capacidades del telescopio a nivel de todo el cúmulo de galaxias y centrarse en una única, pero sumamente importante, galaxia activa en su corazón.
Sesenta días de mirada continua al mismo rincón del universo
Durante 60 días de observación ininterrumpida entre enero y marzo, IXPE recopiló más de 600 horas de datos sobre el Cúmulo de Perseo. Se trata, con diferencia, de la observación focalizada más larga de un solo objetivo en lo que va de misión y, al mismo tiempo, la primera vez que IXPE estudia sistemáticamente cualquier cúmulo de galaxias.
Esta observación maratónica permitió obtener estadísticas de una calidad excepcional para medir la polarización de los rayos X, pero también planteó un nuevo problema: cómo separar del "mar" de radiación de rayos X la contribución de la propia galaxia 3C 84. Aquí es donde entran en juego otros telescopios espaciales. El Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, conocido por su imagen de rayos X extremadamente nítida, sirvió para separar con precisión la emisión del chorro del brillo difuso del gas caliente en el cúmulo. Las misiones NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) y Neil Gehrels Swift añadieron datos en rangos de energía más altos y en un intervalo de tiempo más amplio.
Solo mediante la combinación de todos estos datos (las mediciones de polarización de IXPE y las imágenes y espectros de Chandra, NuSTAR y Swift) los científicos pudieron afirmar con confianza: esta parte de la señal realmente proviene del chorro del agujero negro en 3C 84, y no de alguna otra fuente en el cúmulo.
Cómo se originan los rayos X en los chorros de los agujeros negros
Desde hace tiempo se sabía que los rayos X de los chorros de las galaxias activas se producen mediante un proceso llamado dispersión Compton inversa. En este proceso, fotones de menor energía (por ejemplo, fotones de radio o infrarrojos) "chocan" con electrones muy rápidos en el chorro y ganan energía en el proceso, pasando al rango de los rayos X. La pregunta clave era: de dónde provienen esos fotones iniciales, los llamados "seed photons", o fotones semilla, que luego se aceleran hasta convertirse en rayos X.
Existían dos posibilidades principales. En el escenario de auto-dispersión sincrotrón interna (synchrotron self-Compton, SSC), los fotones iniciales se crean en el propio chorro. Los mismos electrones que giran en espiral alrededor de las líneas del campo magnético y emiten radiación sincrotrón de menor energía, luego mediante colisiones elevan de nuevo la energía de esos fotones al rango de los rayos X. En el escenario alternativo de dispersión Compton externa (external Compton), los fotones iniciales provienen del "entorno": del disco de acreción, de nubes de gas alrededor de la galaxia o incluso de la radiación de fondo cósmico.
Ambos escenarios pueden explicar la cantidad total de rayos X que observamos, pero predicen diferentes patrones de polarización. Si los fotones se originan a partir de una radiación sincrotrón organizada en el chorro, se espera que la luz de rayos X esté moderadamente polarizada, con la dirección de polarización vinculada a la geometría del chorro y del campo magnético. Si, por el contrario, los fotones provienen de todas las direcciones posibles desde el exterior, la señal final debería estar mucho más débilmente polarizada y "difuminada" en las direcciones.
Una pista decisiva: cuatro por ciento de polarización
IXPE aportó la información clave precisamente en este detalle. Las mediciones mostraron que la luz de rayos X de 3C 84 está polarizada, en promedio, alrededor de un 4 por ciento. Aunque este valor pueda parecer modesto a primera vista, concuerda muy bien con las predicciones del modelo de auto-dispersión sincrotrón y es difícil de conciliar con un escenario dominante de Compton externo.
Más importante aún es que las observaciones simultáneas en los rangos óptico y de radio, realizadas por telescopios de todo el mundo, mostraron niveles similares de polarización y orientaciones relacionadas de los vectores de polarización. Esto significa que los fotones en todo el espectro electromagnético (desde las ondas de radio hasta los rayos X) se crean y moldean en el mismo sistema físico: en el chorro expulsado por el agujero negro supermasivo en el centro de 3C 84.
Los autores del trabajo destacan que ya se sabía que los rayos X en fuentes como 3C 84 provenían de la dispersión Compton inversa, pero no era posible distinguir cuál de los dos escenarios era el correcto. IXPE ahora ha permitido, por primera vez, medir directamente las propiedades de los fotones iniciales. El hecho de que se haya detectado claramente la polarización en los rayos X excluye casi por completo la posibilidad de que la emisión esté dominada por el mecanismo de Compton externo y apoya firmemente el modelo en el que el chorro "recicla" su propia radiación.
3C 84: una galaxia, muchas funciones
La galaxia 3C 84 es desde hace tiempo especial a los ojos de los astrónomos. Como el miembro más brillante del Cúmulo de Perseo, es fundamental para comprender cómo los agujeros negros supermasivos afectan a su entorno galáctico e intergaláctico. Las imágenes del telescopio espacial Hubble revelan complejos filamentos de gas y polvo y rastros de colisiones galácticas, mientras que las observaciones de rayos X muestran enormes cavidades que los chorros han "perforado" en el gas caliente del cúmulo.
Los radiotelescopios, incluida la red global del Event Horizon Telescope, han mapeado los chorros de 3C 84 en diversas escalas espaciales y han descubierto que probablemente precesan levemente (se "balancean" lentamente en el espacio), lo que crea patrones complejos en la radiación de radio. Todo esto convierte a 3C 84 en una de las galaxias activas estudiadas con más detalle y en un laboratorio ideal para probar teorías sobre el lanzamiento de chorros, el papel de los campos magnéticos y la retroalimentación entre el agujero negro y el gas circundante.
Los nuevos resultados de IXPE añaden ahora otra función importante a esta galaxia: 3C 84 se convierte en un objeto de referencia para comprender cómo la radiación sincrotrón y la dispersión Compton inversa se fusionan en una imagen unificada de la emisión del chorro a través de todo el espectro, desde las longitudes de onda de radio hasta las de rayos X.
El poder de una campaña conjunta de observatorios espaciales y terrestres
Uno de los aspectos más destacados de esta investigación es la forma en que se llevó a cabo. IXPE no actuó solo: durante la campaña de sesenta días, decenas de telescopios ópticos y de radio en la Tierra apuntaron periódicamente sus antenas y espejos hacia 3C 84 para seguir los cambios en el brillo y la polarización en diferentes partes del espectro. Al mismo tiempo, las misiones espaciales Chandra, NuSTAR y Swift proporcionaron datos cruciales en el rango de los rayos X.
Dicha campaña multifrecuencia coordinada permitió observar el mismo proceso físico en múltiples "longitudes de onda" simultáneamente. Cuando IXPE midió alrededor de un 4 por ciento de polarización en rayos X, los científicos pudieron comprobar si algo similar ocurría en los rangos óptico y de radio. El hecho de que la respuesta fuera afirmativa dio un peso adicional a la conclusión de que se trata de auto-dispersión sincrotrón en el chorro y no de una combinación aleatoria de fuentes no relacionadas.
El proyecto también ilustra cómo los experimentos astrofísicos modernos funcionan como empresas globales. En la investigación participan científicos e instituciones de doce países, y la misión está dirigida por el Marshall Space Flight Center de la NASA en Huntsville y la Agencia Espacial Italiana, con el apoyo operativo de BAE Systems y el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado.
Qué nos dice este descubrimiento sobre los agujeros negros y el universo
Aunque a primera vista podría parecer que se trata de un resultado especializado que solo interesa a un estrecho círculo de expertos, las consecuencias del descubrimiento van mucho más allá. Los chorros de los agujeros negros supermasivos son fundamentales para la formación y evolución de las galaxias y los cúmulos de galaxias: calientan el gas circundante, pueden evitar su enfriamiento y la formación de nuevas estrellas, y redirigen enormes cantidades de energía a escalas intergalácticas.
Para incorporar estos procesos en las simulaciones por computadora del desarrollo del universo, debemos comprender mejor cómo se forman los chorros, cómo se aceleran y dónde exactamente producen la radiación que vemos. Las nuevas mediciones de IXPE proporcionan una pieza importante de ese rompecabezas, mostrando que, al menos en el caso de 3C 84, una parte clave de los rayos X se crea dentro del propio chorro, y concretamente en regiones que ya habían sido identificadas como zonas de choques y de radiación sincrotrón intensificada.
Los resultados servirán de referencia para futuras observaciones de otras galaxias activas y blázares (objetos donde el chorro está apuntado casi exactamente hacia nosotros). Al compararlos con 3C 84, los astrónomos podrán evaluar qué tan universales son los mecanismos de creación de rayos X y cuánto dependen de las condiciones específicas de cada galaxia, como la fuerza del campo magnético o la velocidad de rotación del agujero negro.
Próximos pasos para IXPE y la investigación del Cúmulo de Perseo
Aunque el misterio del origen de los rayos X en el chorro de 3C 84 se ha resuelto en gran medida, el trabajo de la misión IXPE está lejos de terminar. Los científicos continúan analizando los datos recopilados en otras partes del Cúmulo de Perseo, buscando señales adicionales de polarización. Les interesan especialmente los patrones más amplios en el gas intracúmulo y los posibles rastros de estructuras de campos magnéticos aún más complejas en la escala de todo el cúmulo.
Al mismo tiempo, IXPE sigue observando otros tipos de fuentes: remanentes de supernovas, púlsares, sistemas binarios con agujeros negros y estrellas de neutrones. Cada uno de estos objetos ofrece un "laboratorio" diferente para probar la física en condiciones extremas, desde campos magnéticos ultra fuertes hasta potenciales gravitatorios que no pueden reproducirse en laboratorios de la Tierra.
La misión se planeó originalmente como un proyecto de cuatro años, pero los resultados obtenidos hasta ahora (incluido este descubrimiento en el Cúmulo de Perseo) muestran que el potencial de IXPE supera con creces las expectativas iniciales. Mientras el telescopio y sus instrumentos se mantengan en buen estado, la comunidad científica planea aprovechar al máximo la oportunidad única de medir directamente la polarización de la luz de rayos X de algunos de los objetos más extremos del universo.
El Cúmulo de Perseo sigue siendo así uno de los campos de pruebas espaciales clave donde se examina cómo los agujeros negros supermasivos afectan a cientos y miles de galaxias y a las gigantescas nubes de gas caliente que las rodean. Gracias a IXPE y sus socios, ese laboratorio se observa ahora bajo una luz completamente nueva (literal y metafóricamente), revelándonos cómo los chorros de los agujeros negros producen radiación de rayos X y qué papel desempeñan en la formación del universo a las mayores escalas.
Hay información más detallada sobre los objetivos científicos, los instrumentos y las observaciones actuales disponible en la página oficial de la misión IXPE.
Encuentra alojamiento cerca
Hora de creación: 8 horas antes