Detectados electrones doblemente acelerados en el choque de cúmulos de galaxias

Las partículas, previamente aceleradas por agujeros negros, se reaceleran debido a la acción de las ondas de choque resultantes de la colisión. Este fenómeno ayuda a entender la estructura del Universo a gran escala

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – En el marco de una colaboración internacional de astrónomos que contó con la participación de tres brasileños: Felipe Andrade Santos, Vinicius Moris Placco y Rafael Miloni Santucci, acaba de observarse, describirse e interpretarse un fenómeno cósmico de dimensiones colosales, producto de la aceleración de una nube gaseosa provocada por un agujero negro y de su reaceleración por las ondas de choque ocasionadas por la fusión de dos cúmulos de galaxia.

Andrade Santos y Moris Placco fueron becarios de la FAPESP. Y Miloni Santucci participa en el Proyecto Temático intitulado “Mosaic: the multi-object spectrograph for the ESO extremely large telescope”, coordinado por Silvia Cristina Fernandes Rossi y que también cuenta con el apoyo de la FAPESP. Los tres investigadores firman junto a colegas de otros países el artículo intitulado “The case for electron re-acceleration at galaxy cluster shocks”, publicado y estampado en la portada del primer número de enero de este año de la revista Nature.

“Los electrones que componen la nube son inicialmente rebatidos por el agujero negro supermasivo existente en el centro de una de las galaxias. Y así es como se aceleran. Posteriormente reciben una segunda aceleración al ser alcanzados por la onda de choque que se propaga por el cúmulo de galaxias cuando éste entra en colisión con otro cúmulo”, declaró Andrade Santos a Agência FAPESP. El investigador realiza actualmente un posdoctorado en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, en Estados Unidos.

Los cúmulos de galaxias están formados por el agregado gravitacional de materia y por fusiones con otros cúmulos y otros grupos de galaxias. En esas fusiones, cuyas velocidades generalmente superan la velocidad de propagación del sonido en el medio, se generan ondas de choque. Y son precisamente esas ondas de choque, que se propagan por el cúmulo durante centenas de millones de años, las que eventualmente provocan la reacleración de las partículas previamente aceleradas en los centros de las galaxias, donde se encuentran los agujeros negros supermasivos.

La colisión que se investigó en el estudio referido es la de los cúmulos Abell 3411 y Abell 3412, localizados a alrededor de 2.000 millones de años luz de la Tierra. Ambos son enormes, con millones de años luz de extensión. Y muy masivos, cada uno con aproximadamente mil billones de veces la masa del Sol. Pero el gas de partículas que compone esos cúmulos está extremadamente enrarecido, más enrarecido que cualquier vacío producido en laboratorio en la Tierra, con una densidad del orden de entre 10^-3 y 10^-2 partículas por centímetro cúbico.

“Durante la formación de un cúmulo, las colisiones entre partículas del gas que componen dicho cúmulo hacen que la temperatura del medio llegue al nivel de los 100 millones de grados Celsius”, informó Andrade Santos.

Debido a la altísima temperatura del gas, la velocidad de propagación del sonido en el medio es del orden de los 1.000 kilómetros por segundo, casi 3.000 veces mayor que la velocidad de propagación del sonido en la atmósfera terrestre (343 metros por segundo al nivel del mar y a una temperatura de 20 grados Celsius). Pero la velocidad de colisión de los cúmulos puede llegar a ser entre dos y tres veces mayor, de entre 2.000 y 3.000 km/s. Y esto es lo que produce las ondas de choque que provocan la reaceleración de las partículas.

La reaceleración de partículas previamente aceleradas hace que éstas pasen a emitir radiación electromagnética en el rango de frecuencias del radio. Esta emisión en radio era un misterio que venía desafiando a los astrónomos desde hace alrededor de dos décadas. Y ahora ha sido develado mediante esta investigación.

“La primera detección de emisiones en radio provenientes de las regiones en donde ocurren los choques de cúmulos se realizó hace casi 20 años. Sin embargo, no se lograba explicar de qué manera se aceleraban los electrones a punto tal de emitir radiación en esa franja de frecuencia. Se intentó con un modelo en el cual el gas se comprimía por el choque y hacía que las partículas adquiriesen energía. Pero las cuentas no cerraban, pues las partículas debían adquirir mucha más energía mediante el choque que lo esperable a partir de las observaciones astronómicas”, sostuvo el investigador.

“Trabajamos con la hipótesis de la existencia previa de una población de electrones de alta energía, que necesitarían tan sólo un ‘empujón’ final para emitir en radio. Y esto se confirmó con nuestro estudio. Las observaciones del choque de ese dúo de cúmulos mostraron que la emisión en radio estaba conectada con el chorro de la galaxia, lo cual dejaba claro que los electrones habían sido acelerados inicialmente por el agujero negro, que había producido el chorro, y luego habían sido reacelerados por la onda de choque”, añadió.

“Al analizar pormenorizadamente la emisión en radio, nos percatamos de que los electrones perdían energía a lo largo del chorro y volvían a ganar energía en la zona del choque. La diferencia de nuestro trabajo residió en que encontramos por primera vez la conexión física entre ambos fenómenos. Con la doble aceleración, las partículas se vuelven un millón de veces más energéticas, y suben del nivel del kiloelectronvoltio (keV) al del gigaelectronvoltio (GeV)”, concluyó.

Para arribar a este resultado, los científicos reunieron información suministrada por un formidable conjunto de instalaciones. El telescopio espacial Chandra, que opera en el rango de los rayos X, informó la localización del choque entre ambos cúmulos. El GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope), instalado en Pune, en la India, que opera en la franja del radio, permitió relacionar la emisión en radio con una galaxia, informando el origen de los electrones. El Soar (Southern Astrophysical Research Telescope), instalado en Cerro Pachón, en Chile, que opera en el rango de la luz visible y en el del infrarrojo, posibilitó calcular la distancia de la galaxia emisora, mostrando así que la misma pertenecía efectivamente a uno de los cúmulos. El telescopio japonés Subaru, instalado en Mauna Kea, en Hawái, que opera en la franja de la luz visible y en la del infrarrojo, aportó la imagen óptica de las galaxias. Y el telescopio doble estadounidense Keck, también instalado en Mauna Kea, en Hawái, y también operando en el rango de la luz visible y en el infrarrojo, suministró los espectros de las galaxias detectadas por el Subaru.

Los aportes de Moris Placco y Miloni Santucci resultaron fundamentales para recabar y procesar los datos obtenido con el Soar. La participación en éste y en otros equipamientos instalados en Chile, que modificó el perfil de la astronomía brasileña, ha contado con el fuerte apoyo de la FAPESP (lea más en: agencia.fapesp.br/24559, y en: agencia.fapesp.br/24077).

Este estudio enriquece la comprensión de la estructura del Universo a gran escala. Se sabe que esta estructura posee vastos espacios vacíos, rodeados por gigantescos filamentos de materia constituidos por nubes de gas y galaxias. Los cúmulos se sitúan en las intersecciones de los filamentos y crecen al incorporar gas y fusionarse con otros cúmulos y grupos de galaxias. En el proceso de fusión, se generan ondas de choque que se propagan por los cúmulos y reaceleran partículas previamente aceleradas por agujeros negros supermasivos existentes en los centros galácticos.

“Nuestro trabajo tiene dos implicaciones directas. La primera consiste en que las simulaciones de cúmulos de galaxias deben incorporar esa población de electrones de altas energías. La segunda apunta que los experimentos en laboratorios con el objetivo de simular las condiciones de los cúmulos deben tener en cuenta a esas partículas relativistas. En el futuro, tendremos que detectar más casos como el que se estudió para comprender mejor los detalles. Éste fue el primer caso, pero con el surgimiento de instrumentos más poderosos, podremos medir el fenómeno en varios otros cúmulos”, ponderó Andrade Santos.

El investigador se refiere a nuevos proyectos como el del telescopio de rayos X Lynx, pensado para ser el sucesor del Chandra. De aprobárselo para su financiación a cargo de la Nasa, aumentará enormemente la capacidad de observación de choques entre cúmulos de galaxias y generará importantes aportes al mapeo del Universo.