La primera fotografía de un agujero negro sacudió al mundo en 2019, cuando el Event Horizon Telescope, o EHT, publicó una imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87, también conocida como Virgo A o NGC 4486, ubicada en la constelación de Virgo. Este agujero negro sorprende nuevamente a los científicos con una llamarada de rayos gamma de teraelectronvoltios, que emite fotones miles de millones de veces más energéticos que la luz visible. Una llamarada tan intensa no se había observado en más de una década, lo que ofrece información crucial sobre cómo las partículas, como los electrones y los positrones, se aceleran en los entornos extremos cercanos a los agujeros negros.
El chorro que sale del centro de M87 es siete órdenes de magnitud (decenas de millones de veces) más grande que el horizonte de sucesos o la superficie del propio agujero negro. El brillante estallido de emisión de alta energía estuvo muy por encima de las energías típicamente detectadas por los radiotelescopios de la región del agujero negro. La llamarada duró unos tres días y probablemente surgió de una región de menos de tres días luz de tamaño, o un poco menos de 15 mil millones de millas.
Un rayo gamma es un paquete de energía electromagnética, también conocido como fotón. Los rayos gamma tienen la mayor energía de cualquier longitud de onda en el espectro electromagnético y son producidos por los entornos más calientes y energéticos del universo, como las regiones alrededor de los agujeros negros. Los fotones de la llamarada de rayos gamma de M87 tienen niveles de energía de hasta unos pocos teraelectronvoltios. Los teraelectronvoltios se utilizan para medir la energía de las partículas subatómicas y equivalen a la energía de un mosquito en movimiento. Se trata de una enorme cantidad de energía para partículas que son muchos billones de veces más pequeñas que un mosquito. Los fotones con varios teraelectronvoltios de energía son mucho más energéticos que los fotones que forman la luz visible.
A medida que la materia cae hacia un agujero negro, se forma un disco de acreción donde las partículas se aceleran debido a la pérdida de energía potencial gravitacional. Algunos incluso son redirigidos lejos de los polos del agujero negro como un poderoso flujo de salida, llamado «chorros», impulsado por intensos campos magnéticos. Este proceso es irregular, lo que a menudo provoca una rápida explosión de energía llamada «llamarada». Sin embargo, los rayos gamma no pueden penetrar la atmósfera terrestre. Hace casi 70 años, los físicos descubrieron que los rayos gamma pueden detectarse desde la tierra observando la radiación secundaria generada cuando golpean la atmósfera.
«Todavía no entendemos completamente cómo se aceleran las partículas cerca del agujero negro o dentro del chorro», dijo Weidong Jin, investigador postdoctoral en UCLA y autor correspondiente de un artículo que describe los hallazgos publicado por un equipo internacional de autores en Astronomía. Y Astrofísica. «Estas partículas son tan energéticas que viajan cerca de la velocidad de la luz, y queremos entender dónde y cómo obtienen esa energía. Nuestro estudio presenta los datos espectrales más completos jamás recopilados para esta galaxia, junto con modelos para arrojar luz en estos procesos.»
Jin contribuyó al análisis de la parte de mayor energía del conjunto de datos, llamados rayos gamma de muy alta energía, que fueron recopilados por VERITAS, un instrumento terrestre de rayos gamma que opera en el Observatorio Fred Lawrence Whipple en el sur de Arizona. UCLA jugó un papel importante en la construcción de VERITAS (abreviatura de Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), participando en el desarrollo de la electrónica para leer los sensores del telescopio y en el desarrollo de software para analizar los datos del telescopio y Simular el rendimiento del telescopio. Este análisis ayudó a detectar la llamarada, como lo indican los grandes cambios de luminosidad que se desvían significativamente de la variabilidad de referencia.
Más de dos docenas de instalaciones de observación terrestres y espaciales de alto perfil, incluidos el Fermi-LAT de la NASA, el Telescopio Espacial Hubble, los telescopios NuSTAR, Chandra y Swift, junto con los tres conjuntos de telescopios Cherenkov atmosféricos de imágenes más grandes del mundo (VERITAS, HESS y MAGIC) se unieron a esta segunda campaña EHT y de múltiples longitudes de onda en 2018. Estos observatorios son sensibles a los fotones de rayos X, así como a los rayos gamma de alta y muy alta energía, respectivamente.
Uno de los conjuntos de datos clave utilizados en este estudio se llama distribución de energía espectral.
«El espectro describe cómo la energía de fuentes astronómicas, como M87, se distribuye en diferentes longitudes de onda de luz», dijo Jin. «Es como dividir la luz en un arco iris y medir cuánta energía está presente en cada color. Este análisis nos ayuda a descubrir los diferentes procesos que impulsan la aceleración de partículas de alta energía en el chorro del agujero negro supermasivo».
Un análisis más detallado realizado por los autores del artículo encontró una variación significativa en la posición y el ángulo del anillo, también llamado horizonte de sucesos, y la posición del chorro. Esto sugiere que una relación física entre las partículas y el horizonte de sucesos, en diferentes escalas de tamaño, influye en la posición del chorro.
«Una de las características más sorprendentes del agujero negro de M87 es un chorro bipolar que se extiende a miles de años luz desde el núcleo», dijo Jin. «Este estudio brindó una oportunidad única para investigar el origen de la emisión de rayos gamma de muy alta energía durante la llamarada e identificar el lugar donde se aceleran las partículas que causan la llamarada. Nuestros hallazgos podrían ayudar a resolver un problema de larga data debate sobre los orígenes de los rayos cósmicos detectados en la Tierra.»
