“Más rápido que la velocidad de la ilusión de la luz”: sistema estelar de la Vía Láctea que emite rayos gamma de un objeto exótico

“Más rápido que la velocidad de la ilusión de la luz”: sistema estelar de la Vía Láctea que emite rayos gamma de un objeto exótico

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“Más rápido que la velocidad de la ilusión de la luz”: sistema estelar de la Vía Láctea que emite rayos gamma de un objeto exótico

“Más rápido que la velocidad de la ilusión de la luz”: sistema estelar de la Vía Láctea que emite rayos gamma de un objeto exótico

“SS 433 es un sistema estelar inusual y cada año aparece algo nuevo”, dijo Segev BenZvi, físico de la Universidad de Rochester. “Esta nueva observación de rayos gamma de alta energía se basa en casi 40 años de mediciones de uno de los objetos más raros de la Vía Láctea. “Cada medida nos da una pieza diferente del rompecabezas, y esperamos usar nuestro conocimiento para aprender sobre la familia del quásar en su conjunto”.

El cielo nocturno parece sereno, pero los telescopios nos dicen que el universo está lleno de colisiones y explosiones. Los eventos distantes y violentos señalan su presencia arrojando luz y partículas en todas direcciones. Cuando estos mensajeros llegan a la Tierra, los científicos pueden usarlos para trazar un mapa del cielo lleno de acción, ayudando a comprender mejor los procesos volátiles que ocurren en el espacio.

Por primera vez, una colaboración internacional de científicos ha detectado luz altamente energética proveniente de las regiones más externas de un sistema estelar inusual dentro de nuestra propia galaxia. La fuente es un microquasar, un agujero negro que engulle cosas de una estrella compañera cercana y dispara dos poderosos chorros de material.

El Very Large Array del Observatorio Astronómico Nacional de Radio (NRAO) ha observado tales chorros durante muchos años. En algunos de estos chorros, se ha visto que las burbujas de material se mueven a velocidades aparentes mayores que la de la luz, un fenómeno llamado movimiento superluminal. El movimiento aparentemente más rápido que la luz en realidad es una ilusión que se ve cuando un chorro de material viaja cerca, pero por debajo, de la velocidad de la luz y se dirige hacia la Tierra.

Las observaciones del equipo, descritas en la edición del 4 de octubre de 2018 de la revista Nature, sugieren que la aceleración de electrones y las colisiones en los extremos de los reactores del microquasar produjeron los poderosos rayos gamma. Los científicos creen que estudiar a los mensajeros de este microquasar puede ofrecer un vistazo a los eventos más extremos que ocurren en los centros de galaxias distantes.

El equipo recopiló datos del Observatorio de rayos gamma Cherenkov de gran altitud (HAWC), que es un detector diseñado para observar la emisión de rayos gamma proveniente de objetos astronómicos como remanentes de supernova, quásares y estrellas densas rotativas llamadas púlsares. Ahora, el equipo ha estudiado uno de los microquásares más conocidos, llamado SS 433 (que se muestra en la parte superior de la página), que se encuentra a unos 15,000 años luz de la Tierra. Los científicos han visto alrededor de una docena de microquásares en nuestra galaxia y solo un par de ellos parecen emitir rayos gamma de alta energía. Con la proximidad y orientación cercanas de SS 433 (abajo), los científicos tienen una rara oportunidad de observar astrofísica extraordinaria.

“Más rápido que la velocidad de la ilusión de la luz”: sistema estelar de la Vía Láctea que emite rayos gamma de un objeto exótico

El Observatorio de Rayos Gamma Cherenkov (HAWC) a gran altitud es un detector diseñado para observar la emisión de rayos gamma provenientes de objetos astronómicos como remanentes de supernova, quásares y estrellas densas rotativas llamadas púlsares. Ubicado aproximadamente a 13,500 pies sobre el nivel del mar cerca del volcán Sierra Negra en México, el detector está compuesto por más de 300 tanques de agua, cada uno de aproximadamente 24 pies de diámetro. Cuando las partículas golpean el agua, producen una onda de choque de luz azul llamada radiación de Cherenkov. Cámaras especiales en los tanques detectan esta luz, lo que permite a los científicos determinar el origen de los rayos gamma entrantes. (Jordan Goodman / Universidad de Maryland)

“SS 433 está justo en nuestro vecindario y, al utilizar el amplio campo de visión de HAWC, pudimos resolver los dos sitios de aceleración de partículas de microquasar”, dijo Jordan Goodman, un distinguido profesor universitario de la Universidad de Maryland y el investigador principal y vocero de EE. UU. Para la colaboración HAWC. “Al combinar nuestras observaciones con datos de múltiples longitudes de onda y múltiples mensajeros de otros telescopios, podemos mejorar nuestra comprensión de la aceleración de partículas en SS 433 y sus primos extragalácticos gigantes, llamados quásares”.

Los quásares son agujeros negros masivos que absorben material de los centros de galaxias, en lugar de alimentarse de una sola estrella. Expulsan activamente la radiación, que puede verse desde todo el universo. Pero están tan lejos que la mayoría de los quásares conocidos se han detectado porque sus aviones están dirigidos a la Tierra, como si tuviera una linterna dirigida directamente a los ojos. En contraste, los jets del SS 433 están orientados lejos de la Tierra y HAWC ha detectado una luz energética similar proveniente del lado del microquasar.

Independientemente de donde se originen, los rayos gamma viajan en línea recta hacia su destino. Los que llegan a la Tierra chocan con moléculas en la atmósfera, creando nuevas partículas y rayos gamma de baja energía. Cada nueva partícula se rompe en más cosas, creando una lluvia de partículas cuando la señal cae en cascada hacia el suelo.

HAWC, ubicado aproximadamente a 13,500 pies sobre el nivel del mar cerca del volcán Sierra Negra en México, está perfectamente ubicado para atrapar la lluvia de partículas en rápido movimiento. El detector está compuesto por más de 300 tanques de agua, cada uno de los cuales tiene aproximadamente 24 pies de diámetro. Cuando las partículas golpean el agua, se mueven lo suficientemente rápido como para producir una onda de choque de luz azul llamada radiación de Cherenkov. Cámaras especiales en los tanques detectan esta luz, lo que permite a los científicos determinar la historia de origen de los rayos gamma.

La colaboración de HAWC examinó el valor de 1.017 días de datos y vio evidencia de que los rayos gamma provenían de los extremos de los jets del microquasar, en lugar de la parte central del sistema estelar. Sobre la base de su análisis, los investigadores concluyeron que los electrones en los jets alcanzan energías que son aproximadamente mil veces más altas que las que se pueden lograr usando aceleradores de partículas terrestres, como el Gran Colisionador de Hadrones, del tamaño de una ciudad, ubicado a lo largo de la frontera entre Francia y Suiza. Los electrones de los chorros chocan con la radiación de fondo de microondas de baja energía que impregna el espacio, dando como resultado la emisión de rayos gamma. Este es un nuevo mecanismo para generar rayos gamma de alta energía en este tipo de sistema y es diferente de lo que los científicos han observado cuando los jets de un objeto apuntan a la Tierra.

Ke Fang, coautor del estudio y ex investigador postdoctoral en el Joint Space-Science Institute, una asociación entre UMD y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, dijo que esta nueva medida es fundamental para entender lo que está sucediendo en SS 433.

“Mirar solo un tipo de luz proveniente de SS 433 es como ver solo la cola de un animal”, dijo Fang, quien actualmente es miembro de Einstein Fellow en la Universidad de Stanford. “Por lo tanto, combinamos todas sus señales, desde radio de baja energía a rayos X, con nuevas observaciones de rayos gamma de alta energía, para descubrir qué tipo de bestia SS 433 es realmente”.

Hasta ahora, los instrumentos no habían observado que el SS 433 emitiera rayos gamma altamente energéticos. Pero HAWC está diseñado para ser muy sensible a esta parte extrema del espectro de luz. El detector también tiene un amplio campo de visión que mira a todo el cielo elevado todo el tiempo. La colaboración utilizó estas capacidades para resolver las características estructurales del microquasar.

En la primavera de 1994, Félix Mirabel de Saclay, Francia, y Luis Rodríguez, de la Universidad Nacional Autónoma de la Ciudad de México, observaron un objeto de emisión de rayos X llamado GRS 1915 + 105, que acababa de mostrar un estallido de emisión de radio. Se sabía que este objeto estaba a unos 40,000 años luz de distancia, dentro de nuestra propia Galaxia de la Vía Láctea, en nuestro propio vecindario cósmico. Sus series temporales de observaciones VLA, vistas en esta imagen, mostraron que un par de objetos expulsados ​​de GRS 1915 + 105 se estaban separando a una velocidad aparentemente superluminal. Esta fue la primera vez que se detectó movimiento superluminal en nuestra propia galaxia.

Este sorprendente resultado mostró que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, los agujeros negros millones de veces más masivos que el Sol, tienen contrapartes más pequeñas capaces de producir eyecciones similares. Se cree que GRS 1915 + 105 es un sistema de estrella doble en el que uno de los componentes es un agujero negro o una estrella de neutrones solo unas pocas veces la masa del Sol. El objeto más masivo es extraer material de su compañero estelar. El material rodea el objeto masivo en un disco de acreción antes de ser empujado hacia él. La fricción en el disco de acreción crea temperaturas lo suficientemente altas como para que el material emita rayos X, y se cree que los procesos magnéticos aceleran el material en los chorros.

Desde que Mirabel y Rodríguez descubrieron el movimiento superluminal en GRS 1915 + 105, se han descubierto y estudiado otros “microquásares” galácticos con el VLA y el VLBA. En 1999, el astrónomo NRAO Robert Hjellming dirigió el VLA hacia un microquasar explosivo dentro de las 24 horas posteriores a un estallido de rayos X reportado. Al trabajar con los observadores de rayos X Donald Smith y Ronald Remillard del MIT, Hellming descubrió que este objeto es un microquasar a solo 1.600 años luz de distancia, lo que lo convierte en el agujero negro más cercano a la Tierra que se haya descubierto.

Los micro quasares dentro de nuestra propia galaxia, porque están más cerca y, por lo tanto, son más fáciles de estudiar, se han convertido en “laboratorios” invaluables para revelar los procesos físicos que producen chorros de material súper rápidos.

En la imagen de arriba, en la parte superior izquierda de la página: chorro constante a escala miliarcsec del Cyg ~ X-1 binario de rayos X de agujero negro de gran masa. Arriba a la derecha: transitorios, chorros de radio de la fuente del chorro galáctico superluminal GRS ~ 1915 + 105. Abajo a la izquierda: chorros de radio de la primera fuente galáctica descubierta. La órbita binaria es casi de borde; el disco de acreción de SS ~ 433 de precesión hace que sus chorros rastreen un “sacacorchos” en el cielo cada 162 días. Abajo a la derecha: chorros de radio fósiles alrededor del agujero negro del Centro Galáctico in1E ~ 140.7-2942

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