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La violenta relación entre un hoyo negro y una estrella supergigante: la nueva observación de HAWC

Colaboración HAWC
3/oct/2018

El cielo nocturno parece sereno pero sabemos que está lleno de colisiones y explosiones en nuestra galaxia, así como en galaxias muy lejanas. Estos procesos violentos se hacen notar por la luz y las partículas que arrojan en todas direcciones. Cuando estos mensajeros llegan a la Tierra, los científicos los pueden usar para mapear este universo dinámico que nos permite entender los procesos volátiles que se llevan a cabo en las profundidades del espacio.

Por primera vez, una colaboración internacional de científicos ha detectado luz extremadamente energética que proviene de los confines de un sistema estelar de lo más inusual dentro de nuestra galaxia.

Esta fuente es un micro-cuásar llamado SS433, un sistema binario que consiste en un hoyo negro de 16 masas solares y una estrella del tipo A de 40 masas solares, que orbita uno alrededor del otro a una distancia entre ellos de solamente un tercio de la distancia entre el Sol y Mercurio y con un periodo de 13 días.

El hoyo negro y la estrella tienen una relación muy exótica y violenta. Estando tan cerca, el hoyo negro continuamente engulle materia de su compañera produciendo en direcciones opuestas dos chorros de materia también llamados jets, en los que bolas de plasma son emitidas a un cuarto de la velocidad de la luz en un plano perpendicular a nuestra línea de visión.

Las observaciones del equipo de investigadores, reportadas en la revista Nature, el 4 de octubre de 2018, revelan que los chorros, o jets, generados por esta relación violenta viajan sin interaccionar por varios meses a distancias de cien veces la distancia del Sol a la Tierra. Y es hasta que encuentran grandes nubes de materia interestelar cuando los jets interaccionan con ellas y entonces se disipan, formando grandes lóbulos que emiten rayos X.

Es en estas regiones que se producen los rayos gamma por mecanismos de aceleración que aún no se entienden y que el observatorio HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory) detecta desde la Tierra.

Los científicos están seguros que estudiando los procesos de este micro-cuásar podrán encontrar similitudes con procesos aún más extremos, en blazares, sistemas en los que hoyos negros súper masivos de millones de masas solares engullen materia de la galaxia alrededor de ellos emitiendo jets de materia en direcciones opuestas como este micro-cuásar.

La observación, desde México

La observación de este micro-cuásar ocurrió gracias al observatorio HAWC de rayos gamma, un instrumento de frontera instalado en México que ha sido diseñado para detectar rayos gamma de objetos astronómicos como remanentes de supernovas, cuásares y pulsares: estrellas de neutrones girando muy rápidamente.

El SS433, es uno de los micro-cuasares más famosos e interesantes, ya que a su alrededor todavía está la remanente que dio origen a la estrella de neutrones de la binaria. Además está a tan solo 15,000 años luz de nosotros, en la constelación de Águila.

Actualmente se conocen una docena de micro-cuásares en nuestra galaxia pero solamente dos parecen emitir rayos gamma de alta energía. Con SS433 tan próximo y con su orientación que permite estudiar ambos jets simultáneamente, los científicos tienen la oportunidad de estudiar procesos astrofísicos extraordinarios.

"SS433, que es el 433avo objeto catalogado por Stephenson y Sanduleak en 1977, está en nuestra vecindad, lo que nos permite resolver con el observatorio HAWC la morfología de las regiones que emiten rayos gamma", dice Andrés Sandoval, profesor del Instituto de Física de la UNAM y portavoz de la colaboración internacional HAWC.

"Ahora tenemos que combinar lo que nosotros observamos con las observaciones en otras frecuencias hechas por otros observatorios para mejorar nuestro entendimiento de los procesos de aceleración de partículas en SS433 y en sus parientes extra galácticos gigantescos llamados cuásares o blazares", afirma Sandoval.

Los cuásares o blazares, son hoyos negros supe masivos que están engullendo materia del centro de galaxias lejanas y no solamente el gas de una estrella en un sistema binario como los micro-cuasares. Esto hace que emitan radiación a lo largo de dos jets en direcciones opuestas con tan gran energía que pueden verse a través del universo brillando más que los millones de estrellas de la galaxia huésped.

Independientemente de como se producen, los rayos gamma viajan en línea recta a su destino. Los que llegan a la Tierra chocan con moléculas de la atmósfera produciendo nuevas partículas y rayos gamma de menor energía. Cada una de estas partículas se estrella con mas materia de la atmósfera creando una cascada de partículas que va viajando a casi la velocidad de la luz hacia la superficie terrestre.

HAWC situado en las faldas del volcán Sierra Negra, Puebla, a 4,100 m de altitud, está perfectamente situado para atrapar esta lluvia de partículas relativistas antes de que se absorban completamente.

El detector consiste en 300 tanques de agua de 7.3 m de diámetro y con 200,000 litros de agua ultra pura cada uno. Cuando las partículas chocan con el agua van tan rápido que producen ondas de choque de luz azul, llamada radiación de Cherenkov. Con cuatro foto-detectores ultrasensibles en cada tanque se detectan estos destellos de luz azul con lo que se puede reconstruir la dirección y la energía del rayo gamma originario.

Un micro-cuásar súper energético

La colaboración HAWC ha analizado los datos obtenidos en tres años de observación continua y obtuvieron evidencia de que los rayos gamma provienen de los extremos de los jets del micro-cuásar y no del sistema binario en el centro conteniendo el hoyo negro que los produce.

Con base en este análisis, los investigadores concluyen que los electrones en los jets alcanzan energías miles de veces más grandes que la de los aceleradores terrestres más poderosos como el Gran Colisionador de Hadrones, de 27 km de circunferencia en la frontera entre Suiza y Francia. Los electrones de los jets interaccionan con la radiación de fondo de microondas que proviene del principio del Big Bang y resulta en la emisión de gammas de alta energía.

María Magdalena Gonzáles Sánchez, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM y representante del proyecto de Laboratorio Nacional HAWC de CONACyT dice que “aunque se esperaba que este micro-cuásar tan energético emitiera rayos gamma, ningún observatorio había podido detectarlos”.

"Conspiraban varios factores, los rayos gamma son de muy alta energía, no provienen del centro del micro-cuasar y probablemente las regiones que los emiten son muy difusas. Ahora conforme se acumulan más datos de HAWC esperamos ver más de éstos objetos y obtener información que nos permita entenderlos”, afirma la investigadora.

María González puntualiza que “se necesitaba un instrumento como HAWC, con mayor sensibilidad a las energías más altas y que observa todo el cielo en esa región. Ahora que sabemos de dónde llegan vamos a correlacionarlos con las señales que provienen de la misma región y que han sido estudiadas por otros observatorios. Después de 40 años de estudio SS433 aún nos depara sorpresas".