Un chorro de plasma astrofísico pillado en un control de velocidad

El autor de ciencia ficción Arthur C. Clarke seleccionó sus propias siete maravillas del mundo en una serie de televisión de la BBC en 1997. El único objeto astronómico que incluyó fue el SS 433. Ya había llamado la atención a finales de la década de 1970 debido a su emisión de rayos X; más tarde se descubrió que se encontraba en el centro de una nebulosa de gas, apodada nebulosa del manatí debido a su singular forma parecida a la de estos mamíferos acuáticos.

SS 433 es un sistema estelar binario en el que un agujero negro, con una masa aproximadamente diez veces superior a la del Sol, y una estrella, con una masa similar pero que ocupa un volumen mucho mayor, orbitan entre sí con un periodo de 13 días. El intenso campo gravitatorio del agujero negro arranca material de la superficie de la estrella, que se acumula en un disco de gas caliente que alimenta al agujero negro. A medida que la materia cae hacia el agujero negro, dos chorros de partículas cargadas (plasma) se disparan perpendiculares al plano del disco, a un cuarto de la velocidad de la luz (véase la figura 1).

Los chorros de SS433 son visibles en los rangos de longitud de onda que van desde la radio a los rayos X, pero sólo muy cerca de su base. Tras una distancia de menos de un año luz a cada lado del sistema binario central, los chorros se vuelven demasiado tenues para ser vistos. Sin embargo, sorprendentemente, a unos 75 años luz de distancia de su lugar de origen, los chorros reaparecen abruptamente como brillantes fuentes de rayos X. Las razones de esta reaparición eran un misterio.

Chorros relativistas parecidos se observan también emanando de los centros de galaxias activas (por ejemplo, de los cuásares), aunque estos chorros son mucho mayores en tamaño que los chorros de SS 433. Debido a esta analogía, los objetos como SS 433 se clasifican como microcuásares.

Hasta hace poco, nunca se había detectado la emisión de rayos gamma de un microcuásar. Pero esto cambió en 2018, cuando el High Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC), por primera vez, logró detectar rayos gamma de muy alta energía procedentes de SS 433. Esto significa que en algún punto de los chorros las partículas son aceleradas hasta alcanzar energías extremas. A pesar de décadas de investigación, todavía no está claro cómo o dónde se aceleran las partículas en los chorros astrofísicos.

El estudio de la emisión de rayos gamma de los microcuásares ofrece una ventaja crucial para resolver este problema: mientras que los chorros de SS 433 son 50 veces más pequeños que los de la galaxia activa más cercana (Centaurus A), SS 433 se encuentra dentro de la Vía Láctea, 1000 veces más cerca de la Tierra. Al estar más próximos, el tamaño aparente de los chorros de SS 433 en el cielo es mucho mayor y, por tanto, sus propiedades son más fáciles de estudiar con la actual generación de telescopios de rayos gamma.

Impulsado por la detección del HAWC, el Observatorio H.E.S.S. inició una campaña de observación del sistema SS 433. Esta campaña dio como resultado unas 200 horas de datos y una clara detección de la emisión de rayos gamma procedente de los chorros de SS 433. La mejor resolución angular de los telescopios del H.E.S.S. en comparación con medidas anteriores permitió a los investigadores determinar por primera vez el origen de la emisión de rayos gamma dentro de los chorros, lo que arrojó resultados intrigantes:

Mientras que en la región binaria central no se detecta emisión de rayos gamma, en la parte exterior de los chorros la emisión aparece de forma abrupta a una distancia de unos 75 años luz a cada lado de la estrella binaria, coincidiendo con las observaciones anteriores de rayos X.

Sin embargo, lo que más sorprendió a los astrónomos fue un cambio en la posición de la emisión de rayos gamma cuando se observa a diferentes energías.

Los fotones de rayos gamma con las energías más altas, de más de 10 teraelectronvoltios, sólo se detectan en el punto donde reaparecen abruptamente los chorros (véase la fig. 2c). Por el contrario, las regiones que emiten rayos gamma con energías más bajas aparecen más lejos a lo largo de cada chorro (véase la figura 2).

"Esta es la primera vez que se observa una morfología que depende de la energía en la emisión de rayos gamma de un chorro astrofísico", comenta Laura Olivera-Nieto, del Max-Planck-Institut für Kernphysik de Heidelberg, que dirigió el estudio H.E.S.S. de SS 433 como parte de su tesis doctoral. "Estos hallazgos nos dejaron realmente perplejos, ya que la concentración de fotones de tan alta energía en el lugar de reaparición del chorro sugiere un mecanismo de aceleración muy eficiente cuya naturaleza era hasta ahora desconocida".

Los científicos realizaron una simulación de la dependencia energética observada en la emisión de rayos gamma y lograron estimar por primera vez la velocidad con la que se mueven los chorros exteriores. La diferencia entre esta velocidad y aquella con la que se lanzan los chorros sugiere que el mecanismo que aceleró las partículas hacia el exterior es un un fenómeno llamado “choque fuerte”: una transición brusca en las propiedades del medio. La presencia de un choque proporcionaría también una explicación natural al misterio de la reaparición de los chorros como fuentes de rayos X, ya que los electrones acelerados también producen radiación de rayos X.

"Cuando estas partículas rápidas colisionan con una partícula ligera (fotón), transfieren parte de su energía, y así es como producen los fotones gamma de alta energía observados con el H.E.S.S. Este proceso se denomina efecto Compton inverso", explica Brian Reville, jefe del grupo de Teoría Astrofísica del Plasma del MPIK.

"Se ha especulado mucho sobre la aceleración de partículas en este sistema único, pero ya no es así: los resultados del H.E.S.S. determinan el lugar de la aceleración, la naturaleza de las partículas aceleradas y nos permiten caracterizar el movimiento de los chorros a gran escala lanzados por el agujero negro", señala Jim Hinton, Director del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg y Jefe del Departamento de Astrofísica No Térmica.

"Hace tan sólo unos años, era impensable que las mediciones de rayos gamma desde tierra pudieran proporcionar información sobre la dinámica interna de un sistema de este tipo", añade la coautora Michelle Tsirou, investigadora postdoctoral en DESY Zeuthen.

Sin embargo, no se sabe nada sobre el origen de los choques en los lugares donde reaparece el chorro. "Aún no tenemos un modelo que pueda explicar uniformemente todas las propiedades del chorro, ya que ningún modelo ha predicho todavía la presencia de estos choques", explica Olivera-Nieto. Ahora quiere dedicarse a esta tarea, un objetivo que merece la pena, ya que la relativa proximidad de SS 433 a la Tierra ofrece una oportunidad única para estudiar la aparición de la aceleración de partículas en chorros relativistas. Se espera que los resultados puedan trasladarse a los chorros mil veces mayores de galaxias activas y cuásares, lo que ayudaría a resolver los numerosos enigmas relativos al origen de los rayos cósmicos más energéticos.

El observatorio H.E.S.S.      

Los rayos gamma de alta energía sólo pueden observarse desde tierra con un truco. Cuando un rayo gamma penetra en la atmósfera, choca con átomos y moléculas y genera nuevas partículas que corren hacia el suelo como una avalancha. Estas partículas emiten destellos que duran sólo unas milmillonésimas de segundo (radiación Cherenkov), que pueden observarse con grandes telescopios especialmente equipados. Así pues, la astronomía de rayos gamma de alta energía utiliza la atmósfera como una gigantesca pantalla fluorescente. El observatorio H.E.S.S., situado en Namibia, a 1.835 metros de altitud, entró oficialmente en funcionamiento en 2002. Consta de un conjunto de cinco telescopios. Cuatro telescopios con espejos de 12 m de diámetro están situados en las esquinas de un cuadrado, con otro telescopio de 28 m en el centro (véase la figura 3). Los telescopios son capaces de detectar radiación gamma cósmica en el rango de unas decenas de gigaelectronvoltios (GeV, 10^9 electronvoltios) a unas decenas de teraelectronvoltios (TeV, 10^12 electronvoltios). A modo de comparación: las partículas de luz visible que observamos los humanos tienen energías de dos a tres electronvoltios. H.E.S.S. es actualmente el único instrumento que detecta rayos gamma de alta energía procedentes de la parte del cielo visible desde el hemisferio sur y es también el sistema de telescopios más grande y sensible de su clase.