Tormenta de rayos gamma en torno a un agujero negro rotante

En la noche del 12 al 13 de noviembre de 2012, los telescopios MAGIC de rayos gamma, en el Observatorio del Roque de los Muchachos de la Palma (Canarias), se encontraban observando el cúmulo de galaxias de Perseo (situado a una distancia de unos 260 millones de años luz), cuando detectaron un fenómeno insólito procedente de IC310, una de las galaxias del cúmulo.

Como muchas otras galaxias, IC310 alberga en su centro un agujero negro supermasivo (con varios cientos de millones de veces más pesado que el Sol) que, de forma esporádica, produce intensas explosiones de rayos gamma. Pero lo que sorprendió a los científicos fue la extrema brevedad de estas llamaradas, que duraron solo unos pocos minutos. El estudio detallado aparece en la revista Science.

“La relatividad nos dice que ningún objeto puede emitir durante un tiempo menor al que le lleva a la luz atravesarlo. Sabemos que el agujero negro en IC310 tiene un tamaño de unos 20 minutos luz, alrededor de tres veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Esto quiere decir que ningún fenómeno producido por él debería durar menos de 20 minutos”, cuenta Julian Sitarek, investigador Juan de la Cierva en el IFAE (Barcelona), y uno de los tres científicos que han liderado el estudio. Sin embargo las llamaradas observadas duraban menos de cinco minutos.

Los científicos de la colaboración MAGIC proponen un nuevo mecanismo, según el cual esta ‘tormenta de rayos gamma’ se produce en las regiones de vacío que se forman cerca de los polos magnéticos del agujero negro. En estas zonas vacías se crean momentáneamente campos eléctricos muy intensos, que son destruidos cuando la zona es ocupada de nuevo por partículas cargadas. Las partículas se aceleran a velocidades muy próximas a la de la luz y transforman en rayos gamma los fotones que encuentran en su camino al transferirles parte de su energía. El tiempo que tarda la luz en recorrer una de estas zonas vacías es de pocos minutos, lo que encaja con lo observado en IC310.

Mapa coloreado del cúmulo Perseo con los rayos gamma observados una noche de noviembre de 2012. / Colaboración MAGIC

“Es similar a lo que ocurre en las tormentas eléctricas”, explica Oscar Blanch, investigador Ramón y Cajal del IFAE, y codirector de la colaboración MAGIC. “Se crea una diferencia de potencial tan fuerte que acaba por descargarse como un relámpago”. En este caso, la descarga alcanza las energías más altas observadas en la naturaleza y produce rayos gamma. El agujero negro parece estar envuelto en una tormenta de dimensiones estelares.

Hasta ahora, se pensaba que la emisión gamma de galaxias como IC310 se generaba en los chorros de partículas que produce el agujero negro. Estos jets se detectan en muchas galaxias, y se extienden cientos de miles de años luz. Cuando uno de los chorros apunta directamente hacia la Tierra, se produce un efecto relativista conocido como \’movimiento superlumínico aparente\’, debido a que el emisor (las partículas del chorro) y la emisión (los rayos gamma) viajan hacia nosotros a una velocidad parecida.

Como resultado, la intensidad de la emisión gamma que se mide es mayor, y su variabilidad más rápida. Pero esta explicación no es válida en el caso de IC310, porque sus chorros no apuntan hacia nosotros. Seguramente los rayos gamma vienen desde mucho más abajo: prácticamente del propio agujero negro.

Colaboración internacional con importante presencia españala

MAGIC está compuesto por dos telescopios con reflectores de 17 m de diámetro, construidos y operados por una colaboración internacional formada por 160 científicos de España, Alemania, Italia, Polonia, Suiza, Finlandia, Bulgaria, Croacia, Japón e India. Celebra ahora su décimo cumpleaños con la publicación de su quinto trabajo científico en la revista Science.

Las mayores contribuciones españolas a la construcción de MAGIC han sido la cámara original de uno de los telescopios, gran parte de la electrónica y el centro de datos, además de la calidad del cielo de La Palma. Las instituciones españolas participantes son el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, Barcelona), la Universidad Autónoma de Barcelona, la Universidad de Barcelona, el Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC, Barcelona), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC, La Laguna), la Universidad Complutense de Madrid y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT, Madrid).

Los gemelos MAGIC observando el universo desde La Palma. / Colaboración MAGIC

La presencia de MAGIC en el Observatorio del Roque de los Muchachos del Instituto de Astrofísica de Canarias se remonta a los años 80, con los telescopios HEGRA. El futuro inmediato del campo lo representa el Cherenkov Telescope Array (CTA), que estará formado por unos 100 telescopios distribuidos en dos observatorios (en los hemisferios Norte y Sur).

Los grupos españoles de MAGIC han presentado una candidatura para construir el observatorio CTA-Norte en el Roque de los Muchachos o el Teide. Según sus promotres, esta posibilidad representa una de las mejores oportunidades para albergar en España una de las grandes instalaciones científicas globales que marcarán el desarrollo de la astronomía en los próximos años.