Extraño estallido de rayos gamma en la galaxia M87
Un equipo de astrónomos informa de la primera observación en más de una década de un destello de rayos gamma de alta energía del agujero negro supermasivo que vive en el corazón de esta galaxia elíptica de Virgo.
Por Enrique Coperías
Ilustración artística de un destello de rayos gamma emergiendo del agujero negro supermasivo que habita en el centro de la galaxia M87. Imagen generada con Copilot
También conocida como Virgo A o NGC 4486, M87 es el objeto más brillante en el cúmulo de galaxias de Virgo, la mayor estructura ligada gravitacionalmente del universo. Ganó fama en abril de 2019 tras la publicación por parte de científicos del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) de la primera imagen de un agujero negro en su centro.
Dirigido por el grupo de trabajo de múltiples longitudes de onda del EHT, el nuevo estudio, que ha sido publicado en la revista Astronomy and Astrophysics, presenta los datos de la segunda campaña observacional del EHT realizada en abril de 2018, que involucró a más de veinticinco telescopios terrestres y orbitales.
Los autores del trabajo informan de la primera observación en más de una década de un destello de rayos gamma de alta energía del agujero negro supermasivo M87*, basado en espectros casi simultáneos de la galaxia que abarcan el rango de longitudes de onda más amplio jamás recolectado.
Primera imagen de un agujero negro supermasivo tomada dentro de la galaxia Messier 87 por el Telescopio del Horizonte de Sucesos, en 2019. Cortesía: THS
«Tuvimos la suerte de detectar un destello de rayos gamma de M87* durante esta campaña de múltiples longitudes de onda del Telescopio del Horizonte de Sucesos. Esto marca el primer evento de destello de rayos gamma observado en esta fuente en más de una década, permitiéndonos delimitar con precisión el tamaño de la región responsable de la emisión de rayos gamma observada —dice Giacomo Principe, uno de los coordinadores del artículo e investigador en la Universidad de Trieste, en Italia.
En palabras de Principe, «las observaciones, tanto las recientes con un array EHT más sensible como las planeadas para los próximos años, proporcionarán conocimientos invaluables y una oportunidad extraordinaria para estudiar la física que rodea al agujero negro supermasivo de M87. Estos esfuerzos prometen esclarecer la conexión disco-chorro y descubrir los orígenes y los mecanismos detrás de la emisión de fotones de rayos gamma».
El chorro relativista —una corriente de partículas cargadas (plasma) que se desplaza a velocidades cercanas a la de la luz.— examinado por los investigadores sorprende por su extensión, ya que alcanza tamaños que superan el horizonte de sucesos del agujero negro en decenas de millones de veces (7 órdenes de magnitud), algo parecido a la diferencia que puede haber entre el tamaño de una bacteria y el de la ballena azul más grande conocida.
El destello energético, que duró aproximadamente tres días y sugiere una región de emisión de menos de tres días luz de tamaño (~170 UA, donde 1 Unidad Astronómica es la distancia del Sol a la Tierra), reveló un estallido brillante de emisión de alta energía. Esta estaba muy por encima de las energías detectadas típicamente por telescopios de radio de la región del agujero negro M87*.
“La actividad de este agujero negro supermasivo es altamente impredecible. Resulta complicado estimar cuándo ocurrirá un destello. Los datos contrastados obtenidos en 2017 y 2018, que representan sus fases quiescente y activa respectivamente, aportan datos cruciales para desentrañar el ciclo de actividad de este enigmático agujero negro.”
La actividad de este agujero negro supermasivo es altamente impredecible – Es difícil predecir cuándo ocurrirá un destello. Los datos contrastantes obtenidos en 2017 y 2018, representando sus fases quiescentes y activas respectivamente, proporcionan conocimientos cruciales para desentrañar el ciclo de actividad de este enigmático agujero negro.
«La duración de una erupción corresponde aproximadamente al tamaño de la región de emisión. La rápida variabilidad de los rayos gamma indica que la región de la erupción es extremadamente pequeña, aproximadamente diez veces el tamaño del agujero negro central. —explica Daniel Mazin, del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos, en la Universidad de Tokio, y miembro del equipo del telescopio MAGIC que detectó el destello de rayos gamma.
«Curiosamente, la fuerte variabilidad observada en los rayos gamma no se detectó en otras longitudes de onda. Esto sugiere que la región de la llamarada tiene una estructura compleja y presenta características diferentes en función de la longitud de onda», añade Mazin en una nota de prensa emitida por la Universidad de la Ciudad de Nagoya, en Japón.
Dos docenas de ojos mirando a M87
La segunda campaña EHT y de longitudes de onda múltiples de 2018 aprovechó más de dos docenas de instalaciones de observación de alto perfil, incluidos los telescopios Fermi-LAT, HST, NuSTAR, Chandra y Swift de la NASA, junto con los tres mayores conjuntos de telescopios Cherenkov atmosféricos de formación de imágenes del mundo (H.E.S.S., MAGIC y VERITAS).
Estos observatorios son sensibles a los fotones de rayos X y a los rayos gamma de muy alta energía (VHE), respectivamente. Durante la campaña, el instrumento LAT a bordo del observatorio espacial Fermi detectó un aumento del flujo de rayos gamma de alta energía con energías hasta miles de millones de veces superiores a las de la luz visible.
A continuación, Chandra y NuSTAR recogieron datos de alta calidad en la banda de rayos X. Las observaciones de radio de la Red VLBI de Asia Oriental (EAVN) muestran un aparente cambio anual en el ángulo de posición del chorro a unos pocos microsegundos de arco del núcleo de la galaxia.
Curva de luz de la llamarada de rayos gamma (abajo) y colección de imágenes cuasisimuladas del chorro de M87 (arriba) a varias escalas, obtenidas en radio y rayos X durante la campaña de 2018. El instrumento, el rango de observación en longitud de onda y la escala se muestran en la parte superior izquierda de cada imagen. Cortesía: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration
Tras los mecanismos que generan la radiación de muy alta energía
«Al combinar la información sobre el cambio en la dirección del chorro, la distribución de brillo del anillo observado por el EHT y la actividad de rayos gamma, podemos comprender mejor los mecanismos detrás de la producción de la radiación de muy alta energía —comenta Motoki Kino, el científico de la Universidad Kogakuin, en Japón, que coordinó las observaciones de la EAVN durante la campaña.
Los datos también muestran una variación significativa en el ángulo de posición de la asimetría del anillo, el llamado horizonte de eventos del agujero negro, y la posición del chorro, lo que sugiere una relación física entre estas estructuras en escalas muy diferentes.
«En la primera imagen obtenida durante la campaña observacional de 2018, se observó que la emisión a lo largo del anillo no era homogénea, y presentaba asimetrías, esto es, áreas más brillantes —explica Kino. Y añade—: Observaciones posteriores realizadas en 2018 y relacionadas con este artículo confirmaron los datos, y destacan que el ángulo de posición de la asimetría había cambiado».
Una veintena de observatorios y telescopios que participó en la campaña multibanda de 2018 para detectar la llamarada de rayos gamma de alta energía del agujero negro M87*. Cortesía: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration
Cómo y dónde se aceleran las partículas en los chorros de los agujeros negros supermasivos
El equipo también comparó los espectros de múltiples longitudes de onda observados con modelos teóricos de emisión. «El destello de 2018 mostró un brillo particularmente fuerte en rayos gamma —dice Tomohisa Kawashima, investigador del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos, que ha realizado una simulación en un supercomputador del Observatorio Astronómico Nacional de Japón. Y añade—: Es posible que partículas de ultraalta energía hayan experimentado una aceleración adicional dentro de la misma región de emisión observada en estados tranquilos, o que haya ocurrido una nueva aceleración en una región de emisión diferente».
«Cómo y dónde se aceleran las partículas en los chorros de los agujeros negros supermasivos es un viejo misterio. Por primera vez, podemos combinar imágenes directas de las regiones cercanas al horizonte de sucesos durante las erupciones de rayos gamma con sucesos de aceleración de partículas y poner a prueba teorías sobre los orígenes de las erupciones», afirma Sera Markoff, profesora de la Universidad de Ámsterdam y coautora del estudio.
Este descubrimiento allana el camino para futuras investigaciones estimulantes y posibles avances en la comprensión del universo. ▪️
Información facilitada por la Nagoya City University
Fuente: J. C. Algaba y 320 autores más. Broadband multi-wavelength properties of M87 during the 2018 EHT campaign including a very high energy flaring episode. Astronomy and Astrophysics (2024). DOI:
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202450497
