Tormenta de rayos gamma en el agujero negro

Los telescopios MAGIC, en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en la isla de La Palma, han registrado las llamaradas de rayos gamma más rápidas vistas hasta la fecha, producidas en las cercanías de un agujero negro supermasivo. Los científicos explican este fenómeno mediante un mecanismo similar al que produce los relámpagos en una tormenta. Este resultado, con una importante participación española, aparece publicado hoy en la revista Science.

En la noche del 12 al 13 de Noviembre de 2012 los telescopios MAGIC de rayos gamma, en el Observatorio del Roque de los Muchachos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), se encontraban observando el cúmulo de galaxias de Perseo (situado a una distancia de unos 260 millones de años-luz), cuando detectaron este fenómeno insólito proveniente de una de las galaxias del cúmulo, conocida como IC310. Al igual que muchas otras galaxias, IC310 alberga en su centro un agujero negro supermasivo (varios cientos de millones de veces más pesado que el Sol) el cual, de forma esporádica, produce intensas llamaradas de rayos gamma. Lo que sorprendió a los científicos en esta ocasión fue la extrema brevedad de dichas llamaradas, con una duración de tan solo unos pocos minutos.

Escenario para el origen de los rayos gamma observados. Un agujero negro en rotación está acretando plasma de la región interior de la galaxia. La superficie en forma de manzana (púrpura) muestra la ergosfera, en esta región la energía se puede extraer directamente del agujero negro. La rotación del agujero negro induce una magnetosfera (en rojo) con las regiones de vacío cerca de los polos (en amarillo). En esas zonasvacías, los campos eléctricos aceleran las partículas a energías ultra-relativistas. Esas partículas interactúan con los fotones térmicos de baja energía del plasma acretado por el agujero negro, produciendo los rayos gamma observados. Créditos: Aleksić et al., 2014, publicado en Science Express, el 6 de noviembre de 2014.

Escenario para el origen de los rayos gamma observados. Un agujero negro en rotación está acretando plasma de la región interior de la galaxia. La superficie en forma de manzana (púrpura) muestra la ergosfera, en esta región la energía se puede extraer directamente del agujero negro. La rotación del agujero negro induce una magnetosfera (en rojo) con las regiones de vacío cerca de los polos (en amarillo). En esas zonasvacías, los campos eléctricos aceleran las partículas a energías ultra-relativistas. Esas partículas interactúan con los fotones térmicos de baja energía del plasma acretado por el agujero negro, produciendo los rayos gamma observados. Créditos: Aleksić et al., 2014, publicado en Science Express, el 6 de noviembre de 2014.

“La Relatividad nos dice que ningún objeto puede emitir durante un tiempo menor al que le lleva a la luz atravesarlo. Sabemos que el agujero negro en IC310 tiene un tamaño de unos 20 minutos-luz, alrededor de tres veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Esto quiere decir que ningún fenómeno producido por el mismo debería durar menos de 20 minutos”, nos cuenta Julian Sitarek, investigador Juan de la Cierva en el IFAE (Barcelona), y uno de los tres científicos que han liderado el estudio. Sin embargo, las llamaradas que se observaron en IC310 duraban menos de 5 minutos.

Los científicos de la Colaboración MAGIC proponen un nuevo mecanismo, según el cual esa “tormenta de rayos gamma” se produce en las regiones de vacío que se forman cerca de los polos magnéticos del agujero negro. En estas zonas vacías se crean momentáneamente campos eléctricos muy intensos, que son destruidos cuando la zona es ocupada de nuevo por partículas cargadas. Dichas partículas se aceleran a velocidades muy próximas a la de la luz y transforman en rayos gamma los fotones que encuentran en su camino al transferirles parte de su energía. El tiempo que tarda la luz en recorrer una de estas zonas vacías es de pocos minutos, lo que encaja con lo observado en IC310. “Es similar a lo que ocurre en las tormentas eléctricas”, explica Oscar Blanch, investigador Ramón y Cajal del IFAE y Co-Portavoz de la Colaboración MAGIC. “Se crea una diferencia de potencial tan fuerte que acaba por descargarse como un relámpago”. En este caso, la descarga alcanza las energías más altas observadas en la naturaleza y produce rayos gamma. El agujero negro parece estar envuelto en una tormenta de dimensiones estelares.

Hasta ahora, se pensaba que la emisión gamma de galaxias como IC310 se generaba en los chorros de partículas que produce el agujero negro. Estos chorros se detectan en muchas galaxias y se extienden cientos de miles de años luz. Cuando uno de los chorros apunta directamente hacia la Tierra, se produce un efecto relativista conocido como “movimiento superlumínico aparente”, debido a que el emisor (las partículas del chorro) y la emisión (los rayos gamma) viajan hacia nosotros a una velocidad parecida. Como resultado, la intensidad de la emisión gamma que se mide es mayor y su variabilidad más rápida. Pero esta explicación no es válida en el caso de IC310, porque sus chorros no apuntan hacia nosotros. Seguramente los rayos gamma vienen desde mucho más abajo: prácticamente del propio agujero negro.

Los telescopios MAGIC

MAGIC es el presente de una joven pero fructífera rama de la ciencia: la Astronomía de Rayos Gamma desde tierra. Su exitosa presencia en el Observatorio del Roque de los Muchachos del IAC se remonta a los años 80, con los telescopios HEGRA. El futuro inmediato del campo lo representa el Cherenkov Telescope Array (CTA), que estará formado por unos 100 telescopios distribuidos en dos observatorios (en los hemisferios Norte y Sur). Los grupos españoles de MAGIC han presentado una candidatura para construir el observatorio CTA-Norte en el Roque de los Muchachos o el Teide. Esta posibilidad representa una de las mejores oportunidades para albergar en España una de las grandes instalaciones científicas globales que marcarán el desarrollo de la Astronomía en los próximos años.

Telescopios MAGIC, en el Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma), al anochecer. Crédito: Daniel López / IAC.

Telescopios MAGIC, en el Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma), al anochecer. Crédito: Daniel López / IAC.

MAGIC está compuesto por dos telescopios con reflectores de 17 m de diámetro, construidos y operados por una colaboración internacional formada por 160 científicos de España, Alemania, Italia, Polonia, Suiza, Finlandia, Bulgaria, Croacia, Japón e India. Celebra ahora su décimo cumpleaños con la publicación de su quinto trabajo científico en la revista Science. Las mayores contribuciones españolas a la construcción de MAGIC han sido la cámara original de uno de los telescopios, gran parte de la electrónica y el centro de datos. La calidad del cielo de La Palma ha contribuido decisivamente a su éxito.

Las instituciones españolas participantes son el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, Barcelona), la Universidad Autónoma de Barcelona, la Universidad de Barcelona, el Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC, Barcelona), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC, La Laguna), la Universidad Complutense de Madrid y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT, Madrid).

Un equipo de astrofísicos captan una tormenta insólita de rayos gamma en un agujero negro
Un equipo de astrofísicos de Barcelona, Madrid y Canarias ha captado una tormenta insólita, con llamaradas de rayos gamma que son las más rápidas vistas hasta ahora, en un agujero negro situado a 260 millones de años luz. El registro se consiguió la noche del 12 al 13 de noviembre de 2012 —aunque hasta hoy no se ha publicado su resultado, en la revista Science—, gracias a los telescopios ‘Magic’ del Observatorio de Roque de los Muchachos, en La Palma (Canarias).

http://www.iac.es

Más información sobre MAGIC: http://wwwmagic.mpp.mpg.de/

 

Vídeo:A Lightning Inferno at the Event Horizon” (Un infierno de relámpagos en el horizonte de sucesos). Créditos: creado por Robert Schulz; basado en el artículo de Aleksic et al. 2014 en la revista Science.

Artículo científico: Black hole lightning due to particle acceleration at subhorizon scales. Aleksic et al. 2014, Science. DOI:10.1126/science.1256183

 

Contactos en el IAC:

Prof. Ramón García López

Instituto de Astrofísica de Canarias

E-mail: rgl@iac.es

Tel: 922 605 209

Otros contactos:

Dr. Javier Rico

Instituto de Física de Altas Energías

E-mail: jrico@ifae.es

Tel: 93 164 1661

Prof. Lluis Font

Universidad Autónoma de Barcelona

E-mail: lluis.font@uab.es

Tel: 93 581 2935

Prof. Josep Maria Paredes

Universidad de Barcelona

E-mail: jmparedes@ub.edu

Tel: 93 402 1130

Dra. Emma de Oña-Wilhelmi

Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC)

E-mail: wilhelmi@ieec.uab.es

Tel: 93 581 4364

Prof. Maria Victoria Fonsenca

Universidad Complutense de Madrid

E-mail: fonseca@gae.ucm.es

Tel: 91 394 4491

Dr. Carlos Delgado

Centro de Investigaciones Energéticas y Medioambientales

E-mail: carlos.delgado@ciemat.es

Tel: 91 496 25 83

 

 

 

 

Los telescopios captaron las llamaradas de rayos gamma más rápidas vistas hasta ahora, producidas cerca de un agujero negro supermasivo, un fenómeno que los científicos explican mediante un mecanismo similar al que producen los relámpagos en una tormenta. Aquella noche, los telescopios ‘Magic’ de rayos gamma estaban observando el cúmulo de galaxias de Perseo, situado a una distancia de unos 260 millones de años-luz, cuando detectaron este fenómeno insólito proveniente de una de las galaxias, conocida como IC310.

Al igual que otras galaxias, IC310 alberga en su centro un agujero negro supermasivo, varios cientos de millones de veces más pesado que el Sol, según los astrónomos, y que, de forma esporádica, produce intensas llamaradas de rayos gamma. Lo que sorprendió a los científicos fue la extrema brevedad de dichas llamaradas, con una duración de menos de 5 minutos.

Según ha explicado Julian Sitarek, investigador Juan de la Cierva en el Instituto de Física de Altas Energias (IFAE) de Barcelona, “la Relatividad nos dice que ningún objeto puede emitir durante un tiempo menor al que le lleva a la luz atravesarlo”. “Sabemos que el agujero negro en IC310 tiene un tamaño de unos 20 minutos-luz, alrededor de tres veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Esto quiere decir que ningún fenómeno producido por el mismo debería durar menos de 20 minutos”, ha contado Sitarek, uno de los científicos que han liderado el estudio.

Por eso, los científicos han propuesto un nueva teoría, según la cual esta “tormenta de rayos gamma” se produce en las regiones de vacío que se forman en los polos magnéticos del agujero negro, donde se crean momentáneamente campos eléctricos muy intensos, que son destruidos cuando la zona es ocupada de nuevo por partículas cargadas.

Dichas partículas se aceleran a velocidades muy próximas a la de la luz y transforman en rayos gamma los fotones que encuentran en su camino al transferirles parte de su energía. El tiempo que tarda la luz en recorrer una de estas zonas vacías es de pocos minutos, lo que encaja con lo observado en IC310. “Es similar a lo que ocurre en las tormentas eléctricas”, ha comparado Oscar Blanch, investigador del IFAE.

“Se crea una diferencia de potencial tan fuerte que acaba por descargarse como un relámpago”, ha señalado el científico. En este caso, la descarga alcanza las energías más altas observadas en la naturaleza y produce rayos gamma, por lo que el agujero negro parece estar envuelto en una tormenta de dimensiones estelares. Hasta ahora, los científicos pensaban que la emisión gamma de galaxias como IC310 se generaba en los chorros de partículas que produce el agujero negro.

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