Investigadores del observatorio Cherenkov de Agua a Gran Altitud (HAWC, por sus siglas en inglés), ubicado en las faldas del Volcán Sierra Negra en el estado de Puebla, han realizado un descubrimiento revolucionario: emisiones de rayos gamma en el rango de los teraelectronvoltios (TeV) provenientes de V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), un sistema binario que incluye un agujero negro y una estrella compañera de secuencia principal de tipo B.
Es conveniente señalar que V4641 Sgr es un caso sobresaliente por su acreción super-Eddington y por tener uno de los jets superlumínicos más rápidos en la Vía Láctea.
En este descubrimiento participaron investigadores del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), centro de la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (Secihti), el cual forma parte de la colaboración internacional de HAWC.
El observatorio HAWC está diseñado para detectar rayos gamma y rayos cósmicos con energías de entre 100 GeV y 100 TeV. De forma instantánea, las observaciones de HAWC cubren aproximadamente un 15 por ciento del cielo, y en cada ciclo de 24 horas es capaz de observar dos terceras partes del cielo. Se ubica en una de las laderas del volcán Sierra Negra, cerca de Puebla, a una altura de aproximadamente 4100 metros sobre el nivel del mar.
Los microcuásares son laboratorios naturales donde los científicos pueden estudiar los chorros de materia a alta velocidad generados por el material que cae sobre agujeros negros en rotación, y particularmente este hallazgo científico arroja nueva luz sobre la aceleración de partículas en estos jets a gran escala. Los resultados, publicados hace unos días en la revista Nature, muestran que las emisiones de rayos gamma de V4641 Sgr ocurren a distancias similares del agujero negro que las observadas en otro microcuásar bien conocido, SS 433.
Con un espectro de rayos gamma que se encuentra entre los más duros de todas las fuentes de TeV conocidas, las emisiones se detectan a energías que superan los 200 TeV. Los resultados del estudio indican que los rayos gamma probablemente son producidos por protones de energía extremadamente alta. Si bien los estudios de SS 433 sugieren que las emisiones de este objeto son probablemente causadas por electrones, la emisión de alta energía a grandes distancias de V4641 indica que los electrones no son responsables, debido a su rápida pérdida de energía a estas altas energías.
Las implicaciones son profundas, ya que si las emisiones de los jets provienen de protones, estos podrían contribuir a la fuente de rayos cósmicos galácticos de muy alta energía. Estas observaciones abren nuevas vías para comprender la aceleración de partículas en entornos extremos y contribuyen al estudio más amplio de la astrofísica de altas energías.
En entrevista, el investigador de la Coordinación de Astrofísica del INAOE, jefe del Sitio HAWC y uno de los autores del artículo, doctor Ibrahim Torres Aguilar, comentó que aunque este objeto se conocía, lo que no se sabía es que podía emitir fotones de tan alta energía, siendo ésta la primera observación de este objeto a las más altas energías.
Estas observaciones plantean preguntas como cuál es el proceso que hace que observemos fotones de muy alta energía lejos del agujero negro central. “Luego tenemos evidencia de que estos rayos gamma que se detectaron a más de 200 TeVs provienen de protones, no de electrones, y estos protones son precisamente los rayos cósmicos. Al inicio se pensaba que los rayos cósmicos se originaban en los remanentes de súper nova pero ahora estamos encontrando evidencia de que los microcuásares también pueden ser un laboratorio muy interesante para explorar las fuentes de rayos cósmicos galácticos”, indicó el Dr. Torres.
Por su parte, el doctor Daniel Rosa González, investigador de la Coordinación de Astrofísica del INAOE, representante de HAWC en el INAOE y uno de los autores del artículo, explicó: “hay agujeros negros de miles de millones de veces la masa del Sol; los microcuásares tienen unas decenas de masas solares, sin embargo están acelerando protones a unas energías que pocas veces hemos observado en objetos astrofísicos ya sean galácticos o extragalácticos”.
El doctor Rosa agregó que estos resultados se obtuvieron con los datos que HAWC obtuvo durante cuatro años: “HAWC no es como un observatorio óptico o un radiotelescopio. HAWC detecta la radiación Cherenkov depositada en los tanques de agua del observatorio, y que es el producto de las cascadas de partículas que se producen cuando fotones de alta energía reaccionan con átomos en la atmósfera de la Tierra. La energía de los fotones incidentes se determina por el número de detectores que se activaron en una cascada, de forma que entre más detectores se activan, más energético fue el fotón incidente”.
A su vez, el doctor Alberto Carramiñana Alonso, investigador de la Coordinación de Astrofísica del INAOE, miembro de la Mesa Ejecutiva de HAWC y otro de los autores del artículo, recalcó que HAWC no detecta el rayo gamma original, sino la cascada de partículas que éste produce cuando interactúa con la atmósfera.
“Lo que realmente mide HAWC es la cantidad de luz depositada y el tiempo o la diferencia de tiempos en los que se van activando los detectores, y con esa diferencia de tiempo podemos reconstruir la dirección del rayo gamma original. Como los fotones viajan en línea recta –a diferencia de los rayos cósmicos– podemos ver de qué dirección del cielo proviene el fotón y por tanto identificar la fuente que lo produjo”, subrayó.
Para concluir, el doctor Torres destacó: “Ya habíamos hecho otro artículo sobre un microcuásar donde detectamos fotones de alta energía originados por electrones, este caso es diferente por que la fuente de los fotones observados parecen ser protones, y por otro lado volvemos a observar que la radiación de altas energías se da en los chorros que se encuentran alejados del agujero negro central”.
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