Marshall Space Flight Center

Por Michael Allen

Un equipo internacional de astrónomos, utilizando el explorador de polarimetría de rayos X IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) de la NASA, ha identificado el origen de los rayos X en el chorro de un agujero negro supermasivo, respondiendo a una pregunta que ha permanecido sin resolver desde los inicios de la astronomía de rayos X. Sus hallazgos se detallan en un artículo publicado el 11 de noviembre en The Astrophysical Journal Letters, de la American Astronomical Society.

La misión IXPE observó el Cúmulo de Perseo, el cúmulo de galaxias más brillante observable en rayos X, durante más de 600 horas en un período de 60 días entre enero y marzo. Esta es la observación más larga de IXPE de un solo objetivo hasta la fecha, y también marca la primera vez que IXPE observa un cúmulo de galaxias.

Específicamente, el equipo de científicos estudió las propiedades de polarización de 3C 84, la masiva galaxia activa ubicada en el centro del Cúmulo de Perseo. Esta galaxia activa es una fuente de rayos X bien conocida y un objetivo común para los astrónomos de rayos X debido a su proximidad y brillo.

Debido a la enorme masa del Cúmulo de Perseo, alberga un vasto reservorio de gas que emite rayos X tan caliente como el núcleo del Sol. El uso de múltiples telescopios de rayos X, en particular el poder de imagen de alta resolución del Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA, fue esencial para separar las señales en los datos de IXPE. Los científicos combinaron estas mediciones de rayos X con datos de la misión Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) y el Observatorio Neil Gehrels Swift de la agencia.

• Las mediciones de polarización de IXPE proporcionan información sobre la orientación y la alineación de las ondas de luz de rayos X emitidas. Cuanto más sincrónicas viajen las ondas de rayos X, mayor será el grado de polarización.
• Se cree que los rayos X de una galaxia activa como 3C 84 se originan a partir de un proceso conocido como dispersión inversa de Compton, donde la luz rebota en las partículas y gana energía. Las mediciones de polarización de IXPE nos permiten identificar la presencia de dispersión inversa de Compton u otros escenarios.
• “Fotones semilla” es el término utilizado para la radiación de menor energía que se somete al proceso de energización de la dispersión inversa de Compton.
• Quizás recuerde el Cúmulo de Perseo por esta sonificación que replica cómo suena un agujero negro de mayo de 2022.

“Si bien medir la polarización de 3C 84 fue uno de los objetivos científicos clave, todavía estamos buscando señales de polarización adicionales en este cúmulo de galaxias que podrían ser firmas de una física más exótica”, dijo Steven Ehlert, científico del proyecto IXPE y astrónomo del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA en Huntsville.

“Ya hemos determinado que, para fuentes como 3C 84, los rayos X se originaron a partir de la dispersión inversa de Compton”, dijo Ioannis Liodakis, investigador del Instituto de Astrofísica – FORTH en Heraklion, Grecia, y autor principal del artículo. “Con las observaciones de IXPE de 3C 84 tuvimos una oportunidad única de determinar las propiedades de los fotones semilla.”

El primer escenario de origen posible para los fotones semilla es conocido como auto-Compton sincrotrón, donde la radiación de menor energía se origina en el mismo chorro que produce las partículas de alta energía.

En el escenario alternativo conocido como Compton externo, los fotones semilla se originan en fuentes de radiación de fondo no relacionadas con el chorro.

“Los escenarios de auto-Compton sincrotrón y Compton externo tienen predicciones muy diferentes para su polarización de rayos X”, dijo Frederic Marin, astrofísico del Observatorio Astronómico de Estrasburgo en Francia y coautor del estudio. “Cualquier detección de polarización de rayos X de 3C 84 casi descarta decisivamente la posibilidad de que el Compton externo sea el mecanismo de emisión.”

A lo largo de la campaña de observación de 60 días, los telescopios ópticos y de radio de todo el mundo dirigieron su atención a 3C 84 para probar aún más entre los dos escenarios.

El IXPE de la NASA midió una polarización neta del 4% en el espectro de rayos X, con valores comparables medidos en los datos ópticos y de radio. Estos resultados favorecen fuertemente el modelo de auto-Compton sincrotrón para los fotones semilla, donde provienen del mismo chorro que las partículas de mayor energía.

“Separar estos dos componentes fue esencial para esta medición y no pudo hacerse con un solo telescopio de rayos X, pero al combinar los datos de polarización de IXPE con Chandra, NuSTAR y Swift, pudimos confirmar que esta medición de polarización estaba específicamente asociada con 3C 84”, dijo Sudip Chakraborty, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universities Space Research Association en Huntsville, Alabama, y coautor del artículo.

Los científicos continuarán analizando los datos de IXPE de diferentes ubicaciones en el Cúmulo de Perseo en busca de diferentes señales.

El IXPE de la NASA, que continúa proporcionando datos sin precedentes que permiten descubrimientos innovadores sobre objetos celestes en todo el universo, es una misión conjunta de la NASA y la Agencia Espacial Italiana con socios y colaboradores científicos en 12 países. La misión IXPE está dirigida por el Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama. BAE Systems, Inc., con sede en Falls Church, Virginia, gestiona las operaciones de la nave espacial junto con el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado en Boulder.

Obtenga más información sobre la misión en curso de IXPE aquí:

https://www.nasa.gov/ixpe