VALÈNCIA (EP). El Event Horizon Telescope (EHT) acaba de publicar la observación de un chorro relativista (una descomunal estructura formada por un haz colimado de plasma, fuertemente acelerado por un agujero negro supermasivo) en el que puede apreciarse cómo las ondas de choque internas interactúan con el campo magnético turbulento del mismo chorro: una danza cósmica de luz y magnetismo.

Esta observación, recientemente publicada en la revista 'Astronomy & Astrophysics' y en la que ha participado la Universitat de València, proporciona una imagen "cercana y poco común" de una región en "rápida evolución" cerca de un agujero negro, donde se forman y aceleran los chorros relativistas, según ha informado la institución académica en un comunicado.

El chorro relativista que se ha observado es el asociado al agujero negro central del blázar OJ 287, situado a unos 1.600 millones de años luz, en la constelación de Cáncer. Los blázares constituyen un tipo "extremo" de galaxia activa cuyo chorro apunta casi directamente hacia la Tierra, lo que los convierte en uno de los objetos "más variables y energéticos del Universo".

Utilizando la "extraordinaria nitidez" alcanzable con el EHT (que permite distinguir estructuras del tamaño de una pelota de tenis en la Luna), el equipo detectó dos brillantes componentes en el chorro, que se comportan como ondas de choque moviéndose a diferentes velocidades hacia el exterior. Además, la luz que emiten estas ondas de choque está fuertemente polarizada (la polarización de la luz es la preferencia de su campo eléctrico a vibrar en una dirección determinada).

En este caso, la polarización se debe a efectos relacionados con el plasma y la dirección del campo magnético que hay embebido en el chorro. Por lo tanto, a medida que estas brillantes ondas de choque van viajando a lo largo del chorro, su polarización va cambiando, lo que permite "escanear" la estructura del campo magnético como si se estuviese usando un tomógrafo.

El patrón de rotación en la polarización que muestran estas componentes (con una componente girando en sentido opuesto al de la otra) proporciona una señal directa de que el chorro está atravesado por un campo magnético helicoidal, con las líneas de campo enrollándose a lo largo del chorro.

Estructura "retorcida"

Más allá de estas dos ondas de choque, las imágenes revelan que el chorro no es simplemente recto y suave. En cambio, muestra una estructura retorcida, similar a una onda, probablemente relacionada con las llamadas "inestabilidades de Kelvin-Helmholtz".

Según explica el catedrático de la Universitat de València Manel Perucho, experto en dinámica de chorros relativistas y simulaciones numéricas, "se trata de un efecto común en el que la diferencia de velocidad entre capas adyacentes de fluido o gas genera ondas y vórtices, similares a las ondulaciones y olas que se forman cuando se encuentran dos vientos, pero que en este caso se producen en un chorro de plasma que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz".

Además, José L. Gómez, autor principal del trabajo e investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC, afirma que estas rotaciones de la polarización en direcciones opuestas "son la prueba irrefutable de nuestro hallazgo". "Al propagarse a lo largo del chorro y atravesar la onda de Kelvin-Helmholtz, los choques iluminan diferentes fases de la estructura del campo magnético helicoidal, produciendo los cambios de polarización que observamos", ha detallado.

Imágenes precisas

Medir la polarización de la luz con el EHT es todo un "reto técnico". Las señales de polarización son débiles y pueden distorsionarse fácilmente por pequeños efectos instrumentales en cada telescopio. La extracción de mapas de polarización fiables requiere una calibración y verificaciones cruzadas "extremadamente cuidadosas" a lo largo del análisis.

"La polarización es una de las señales más ricas en información que podemos medir, pero también es una de las más frágiles", señala el profesor de la Universitat de València Iván Martí-Vidal, especialista en polarimetría VLBI de alta precisión y uno de los desarrolladores de las técnicas de calibración clave utilizadas por el EHT.

"Para estar seguros de que estas rotaciones de polarización se producen realmente cerca del agujero negro y no se deben a efectos instrumentales, necesitamos modelar y corregir los datos con extremo cuidado. El hecho de que algoritmos completamente independientes recuperen las mismas características de polarización a partir de los datos es una sólida validación del resultado", ha asegurado.

Abril 2017

Las observaciones utilizadas para el análisis actual se realizaron durante cinco días en abril de 2017 y revelan cambios sorprendentes en una escala de tiempo excepcionalmente corta para esta fuente. En solo unos días, tanto la estructura del chorro como su luz polarizada evolucionaron notablemente, lo que demuestra que el chorro interior es un entorno "muy dinámico".

"Observamos cambios sustanciales a lo largo de cinco días. Con una monitorización más larga y continua, pudimos seguir la interacción paso a paso y construir una imagen tridimensional real de la estructura magnética del chorro", indica Efthalia Traianou, de la Universidad de Heidelberg y del Instituto Max Planck de Radioastronomía.

Un laboratorio cósmico

El chorro de OJ 287 ha sido escenario de "espectaculares eventos" cataclísmicos durante más de un siglo de observaciones. Los astrónomos llevan mucho tiempo debatiendo si estos eventos podrían estar relacionados con la presencia de un segundo agujero negro supermasivo que orbita alrededor del agujero negro principal. Sea cual sea la causa última de su variabilidad a largo plazo, OJ 287 sigue siendo un importante "laboratorio" para estudiar cómo se alimentan los agujeros negros y cómo responden sus chorros.

Las nuevas imágenes del EHT se centran en la región donde se organiza y se energiza el chorro, con una nitidez que permite dilucidar directamente su estructura polarizada, cuyos cambios pueden seguirse a lo largo del tiempo.

Debido a su altísima resolución espacial, las observaciones del EHT permiten a los investigadores poner a prueba modelos físicos del comportamiento de los chorros con mediciones resueltas espacialmente.

De acuerdo con el catedrático de la Universitat de València José María Martí, experto en la física de chorros relativistas y Relatividad Numérica, "estas observaciones nos permiten finalmente separar en el espacio procesos que antes aparecían superpuestos".

Y subraya: "Cuando combinamos las imágenes del EHT con simulaciones de última generación, podemos plantearnos preguntas muy directas: cómo se propagan las ondas de choque, cómo las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz dan forma al flujo o cómo los campos magnéticos influyen en la aceleración de las partículas. Este es exactamente el tipo de sinergia entre datos y simulaciones que necesitamos para comprender qué hace que los chorros sean estables, turbulentos o radiativamente eficientes".

Una "nueva ventana al universo"

Este descubrimiento supone un gran avance en la comprensión de cómo los agujeros negros alimentan y dan forma a sus chorros. Al resolver los rápidos cambios de polarización en las distintas características de los chorros, el EHT ofrece una nueva forma de poner a prueba las ideas sobre los campos magnéticos, las ondas de choque, las inestabilidades y la aceleración de partículas en uno de los entornos más extremos del universo conocido.

El resultado también apunta hacia lo que podría venir después: una cobertura temporal "más larga y densa" para capturar la evolución del chorro, no como una pequeña sucesión de instantáneas, sino como una secuencia real (una "película"), revelando cómo se desarrollan la estructura magnética y la dinámica del plasma en gran detalle.