¿Qué son los blazares? Misterios y descubrimientos recientes

Los blazares representan algunos de los fenómenos más energéticos y violentos del universo. Estos objetos astronómicos se encuentran en el núcleo de galaxias activas que albergan agujeros negros supermasivos. Con masas millones de veces superiores a la de nuestro Sol, estos agujeros negros giran a velocidades extremas. A medida que la materia cae en ellos, una fracción de esta se expulsa desde los polos a velocidades cercanas a la de la luz, formando chorros de partículas ionizadas. Cuando uno de estos chorros apunta hacia la Tierra, la galaxia se vuelve excepcionalmente brillante en diversas formas de luz, incluyendo rayos gamma, la luz de mayor energía conocida.

Investigaciones recientes, impulsadas por misiones como la NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), han permitido estudiar en detalle estos blazares, revelando los mecanismos detrás de su intensa emisión de energía. Un equipo internacional de científicos ha observado cómo las partículas en los blazares se aceleran inicialmente debido a ondas de choque naturales, produciendo rayos X polarizados. Estos hallazgos nos acercan a comprender mejor la física extrema que gobierna estos aceleradores de partículas, y subrayan la importancia de los blazares en la distribución de energía en el universo. La investigación continua promete desvelar más secretos sobre estos fascinantes objetos astronómicos.

Los chorros de partículas y su brillo extremo

Estos chorros de partículas ultrarrápidas, conocidos como blazares, irradian energía con una potencia miles de millones de veces superior a la del Sol. Se calcula que nuestro universo alberga alrededor de doscientos mil millones de galaxias, y la mayoría de ellas, incluida nuestra Vía Láctea, tiene en su núcleo un agujero negro supermasivo. Estos agujeros negros, debido a su descomunal atracción gravitacional, hacen orbitar la materia a su alrededor y emiten radiación. Sin embargo, los blazares son excepcionales en cuanto a su capacidad de lanzar haces de energía tan potentes que pueden alcanzar otras galaxias, brillando con la intensidad de cien mil millones de soles.

En los años 60, los objetos astronómicos que irradian energía como una potente fuente de luz, pero no son estrellas, fueron bautizados como fuentes de radio cuasi-estelar, o cuásares (quasars en inglés). Estos rayos pueden describirse como un cono, en el que las partículas cargadas se ven aceleradas hasta casi la velocidad de la luz, descargando enormes cantidades de energía en forma de radiación. Cuando el haz de energía se dirige hacia la Tierra, se le conoce como blazar: un chorro de partículas ionizadas ultrarrápidas que puede alcanzar distancias cien veces superiores al tamaño de su galaxia y que emite luz debido a la hiperaceleración de esta materia.

Vía láctea

La investigación y descubrimiento del mecanismo de los blazares

La misión de la NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), lanzada en diciembre de 2021, ha permitido estudiar en detalle un blazar en particular, Markarian 501 (Mrk 501), situado a aproximadamente 456 millones de años luz de la Tierra. Un equipo internacional de investigadores, liderado por Ioannis Liodakis de la Universidad de Turku (Finlandia) y con la colaboración del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM) asociado al CSIC en Granada, ha utilizado un polarímetro de rayos X para observar este blazar.

Liodakis y sus colegas realizaron dos observaciones de polarimetría de rayos X en marzo, que luego compararon con datos de radiofrecuencia y polarimetría. Descubrieron que la aceleración inicial de las partículas en el interior del blazar se produjo debido a una onda de choque generada de forma natural. Esta onda de choque ocurre cuando el flujo de partículas ultrarrápidas se encuentra con materia más lenta desplazándose por el chorro de energía. Las partículas, después de la colisión, pierden radiación de manera rápida y eficiente, produciendo rayos X polarizados. Estos rayos X, al alejarse del haz, bajan de frecuencia y emiten luz menos polarizada en múltiples direcciones.

Misiones de la NASA

El papel de los polarímetros de rayos X en la investigación

La polarimetría de rayos X ha permitido a los investigadores estudiar varios haces de luz para determinar si las ondas de choque son comunes en todas las fuentes de blazares. Este avance significativo ha acercado a los científicos a comprender estos aceleradores de partículas extremos, que han sido el centro de muchas investigaciones desde su descubrimiento. Una de las grandes incógnitas que aún persisten es si toda la luz que vemos en los blazares proviene de electrones o si otras partículas cargadas, como los protones, también contribuyen a su brillo.

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En un descubrimiento publicado en la revista Science, los investigadores lograron rastrear el origen de rayos cósmicos, chorros de partículas de altísima energía que bombardean la Tierra, hasta un blazar situado a unos 4.000 millones de años luz de distancia. Este blazar, conocido pero poco estudiado, se encuentra cerca de la constelación de Orión. Este hallazgo se realizó gracias al laboratorio IceCube en la Antártida, que siguió la pista de un solo neutrino hasta su origen en el blazar.

La misión Explorador de polarimetría de imágenes de rayos X explorará los restos de estrellas que han explotado, agujeros negros y otros objetos observando una propiedad especial de la luz llamada polarización. / Créditos: NASA

La naturaleza de los blazares

Los blazares son considerados uno de los fenómenos más violentos del universo. Contienen agujeros negros supermasivos con al menos un millón de veces la masa de nuestro Sol. Cuando la materia cae en estos agujeros negros, parte de ella es expulsada en forma de chorros gemelos a casi la velocidad de la luz. Si uno de estos chorros se dirige hacia la Tierra, la galaxia parece increíblemente brillante en todas las formas de luz, incluidos los rayos gamma. Estos chorros son tan poderosos que su brillo eclipsa al resto de las estrellas en su propia galaxia.

Los blazares, identificados por primera vez como estrellas variables, revelaron su verdadera naturaleza y ubicación en los años 70. Se encuentran a millones de años luz de distancia, fuera de nuestra galaxia. Algunos blazares albergan agujeros negros con masas de mil millones de soles o más, y ya existían cuando el universo tenía solo el 10% de su edad actual. Poseen discos de acreción extremadamente luminosos que emiten más de dos billones de veces la energía producida por nuestro Sol. Esta materia está constantemente cayendo hacia adentro, atrapada en un disco y calentada antes de caer finalmente en el agujero negro.

La importancia de los blazares en la astrofísica

La comprensión de los blazares y sus mecanismos de emisión de energía ha sido un objetivo central en la astrofísica. Estos objetos nos ofrecen una ventana a los procesos extremos que ocurren cerca de los agujeros negros supermasivos. Además, los blazares desempeñan un papel crucial en la distribución de la energía en el universo, ya que sus chorros pueden influir en el entorno galáctico y más allá.

La observación de blazares como Markarian 501 con polarímetros de rayos X ha proporcionado datos valiosos para entender cómo se aceleran las partículas en estos fenómenos. Las ondas de choque identificadas en el interior de los chorros de blazares sugieren que estos procesos pueden ser comunes en otras fuentes de emisión de alta energía. Esta información es fundamental para construir modelos teóricos que expliquen la física detrás de los blazares y su impacto en el universo.

Los misterios de los blazares

Los blazares, con su impresionante capacidad de expulsar energía en forma de chorros de partículas ultrarrápidas, se destacan como uno de los fenómenos más energéticos del universo. Estos objetos astronómicos ofrecen una ventana única para estudiar los procesos extremos que ocurren cerca de los agujeros negros supermasivos. Investigaciones recientes, impulsadas por tecnologías avanzadas como el polarímetro de rayos X de la misión IXPE, han revelado que las ondas de choque juegan un papel crucial en la aceleración de partículas en los chorros de los blazares.

Este avance en el conocimiento no solo profundiza nuestra comprensión de los blazares, sino que también proporciona información valiosa sobre la física de altas energías y el comportamiento de la materia en condiciones extremas. Al apuntar sus chorros hacia la Tierra, los blazares permiten observaciones detalladas en todas las longitudes de onda, desde ondas de radio hasta rayos gamma, proporcionando una visión integral de su estructura y funcionamiento. El estudio continuo de estos fenómenos promete revelar más secretos sobre la naturaleza de los agujeros negros supermasivos y su impacto en el entorno galáctico, abriendo nuevas fronteras en la astrofísica.

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