Un equipo de investigación internacional de astrónomos anunció recientemente que han resuelto con éxito el antiguo misterio de un distante blazar PKS 1424+240, lo que explica por qué este objeto todavía puede producir uno de los rayos gamma de alta energía y neutrinos cósmicos más brillantes observados a pesar de que su movimiento en chorro parece ser lento. Los resultados relevantes se publicaron en Astronomy & Astrophysics Letters el 6 de junio.
PKS 1424+240 está a miles de millones de años luz de la Tierra, pero es bien conocido en la comunidad astronómica desde hace mucho tiempo. Es a la vez una fuente importante de rayos gamma de extremadamente alta energía y uno de los blazares de neutrinos más brillantes que se conocen actualmente en el cielo. Corresponde a uno de los picos de alta energía más destacados en el mapa de neutrinos de nueve años del Observatorio de Neutrinos IceCube. El equipo de investigación señaló que este estudio no sólo se refiere a un solo cuerpo celeste, sino que también apunta directamente a un problema central de la astrofísica de alta energía contemporánea: cómo los objetos cósmicos extremos aceleran partículas a energías extremadamente altas y al mismo tiempo producen fotones y neutrinos de energía extremadamente alta.
Un blazar es un tipo de núcleo galáctico activo cuyo centro está impulsado por un agujero negro supermasivo. Mientras el agujero negro devora el material circundante, expulsa chorros de plasma casi a la velocidad de la luz a lo largo de su eje de rotación hacia los polos. En comparación con otros núcleos galácticos activos, los blazares tienen la particularidad de que uno de los chorros está casi orientado hacia la Tierra, lo que los hace parecer excepcionalmente brillantes en toda la banda electromagnética. También proporciona a los científicos un "laboratorio" natural para estudiar los procesos físicos más extremos del universo. Algunos científicos describen a PKS 1424+240 como algo así como el "Ojo de Sauron" en el espacio profundo, debido a la estructura geométrica de su imagen y a los chorros dirigidos hacia la Tierra.
Según las expectativas teóricas, los blazares de rayos gamma más brillantes suelen ir acompañados de estructuras en chorro que parecen moverse muy rápido en las observaciones de radio. Sin embargo, las observaciones de radio de PKS 1424+240 mostraron que sus chorros parecían ser inusualmente lentos, una contradicción que se convirtió en parte de un largo debate conocido como la "crisis del factor Doppler". Para descubrir la verdad, el equipo de investigación recuperó y analizó 15 años de datos de observación del Very Long Baseline Array (VLBA), que consta de un total de 10 antenas de radio en los Estados Unidos continentales, Hawaii y St. Croix.
Los científicos utilizan tecnología de interferometría de línea de base muy larga (VLBI) para procesar conjuntamente señales de radiotelescopios distribuidos en un área amplia, lo que equivale a utilizar un telescopio virtual de "calibre terrestre" para obtener una resolución angular extremadamente alta. El equipo combinó un total de 42 imágenes de radio con información de polarización adquirida entre 2009 y 2025 para crear una vista más profunda y detallada del jet que nunca antes. Estas observaciones forman parte del proyecto a largo plazo MOJAVE (Monitoring Active Galactic Nucleus Jets with VLBA), cuyo objetivo es estudiar sistemáticamente el brillo, la polarización y la estructura del campo magnético de los chorros galácticos activos para comprender cómo la actividad cerca de los agujeros negros supermasivos está relacionada con la radiación de alta energía y la producción de neutrinos.
"Cuando reconstruimos esta imagen, fue simplemente impresionante", dijo el primer autor Yuri Kovalev, que dirige el proyecto Mu SES y ahora trabaja en el Instituto Max Planck de Radioastronomía. "Nunca habíamos visto una escena así: un chorro casi frente a nosotros, acompañado por una estructura de campo magnético anular (en forma de anillo) casi perfecta". Los resultados muestran que la Tierra está casi directamente sobre el eje de este chorro y el ángulo de su línea de visión es inferior a 0,6 grados. En otras palabras, los humanos casi miran directamente al avión en esa dirección.
Esta estructura geométrica se convirtió en la clave para resolver el misterio. Dado que el chorro apunta casi exactamente a la Tierra, el efecto de brillo Doppler en relatividad aumentará considerablemente su brillo aparente en nuestra dirección. El estudio encontró que este efecto puede amplificar la radiación unas 30 veces y al mismo tiempo hacer que el chorro parezca moverse más lento de lo que realmente se mueve en las imágenes de radio debido al efecto de proyección, creando una clásica "ilusión óptica". El coautor Jack Livingston, también del Instituto Max Planck de Radioastronomía, señaló que esta alineación no sólo explica el aumento extremo del brillo, sino que también resuelve naturalmente el problema de larga data de que "el chorro es demasiado lento".
La perspectiva casi "de frente" también brinda a los científicos una rara oportunidad de vislumbrar los detalles del campo magnético del chorro. Con la ayuda de señales de radio polarizadas, el equipo detectó un componente de campo magnético claro en forma de anillo (en forma de rosquilla) en el chorro, lo que indicó que hay una corriente continua en el chorro y que su campo magnético juega un papel importante en la emisión, colimación y estabilidad del chorro. Los investigadores especulan que esta delicada estructura magnética también puede ser uno de los mecanismos clave que acelera las partículas lo suficientemente alto como para producir rayos gamma y neutrinos de alta energía.
"Desentrañar este problema confirma aún más que los núcleos galácticos activos que contienen agujeros negros supermasivos no sólo son potentes aceleradores de electrones de alta energía, sino también fábricas naturales para la aceleración de protones. Ésta es la fuente de los neutrinos de alta energía que observamos". enfatizó Kovalev. Esta investigación forma parte del proyecto MuSES (Multi-Messenger High Energy Study), financiado por el Consejo Europeo de Investigación, que se centra en explorar cómo los núcleos galácticos activos aceleran partículas y dejan su huella en una variedad de señales cósmicas como la luz y los neutrinos. La comunidad científica cree en general que descubrir la relación precisa entre el proceso de aceleración de protones y la producción de neutrinos sigue siendo uno de los problemas sin resolver más importantes de la astrofísica actual.
Los últimos resultados no sólo explican por qué algunos blazares aún pueden emitir radiación de alta energía extremadamente brillante a pesar de que los chorros parecen ser "lentos", sino que también fortalecen la conexión entre varios elementos físicos clave a un nivel más macro: chorros relativistas, estructuras de campos magnéticos, rayos gamma y neutrinos de alta energía. El equipo de investigación afirmó que este descubrimiento revela nuevas pistas para comprender el acelerador de partículas natural más poderoso del universo y proporciona información importante para la astronomía de múltiples mensajeros: al analizar conjuntamente múltiples "mensajeros", como fotones y neutrinos, se espera que los humanos restablezcan de manera más integral la verdadera apariencia de los eventos extremos en el universo.