Descubren, con la participación del Observatorio del Roque, rápidas oscilaciones en la luz de un blazar

La colaboración internacional Whole Earth Blazar Telescope (WEBT), en la que participa personal investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha descubierto variaciones rápidas y cuasiperiódicas en el brillo del blazar BL Lacertae, situado a unos mil millones de años luz. Estos cambios se observaron durante un fuerte estallido producido en 2020 y su origen está asociado con un chorro de partículas de altas energías. En el estudio se han utilizado datos de satélites espaciales combinados con observaciones realizadas desde infraestructuras terrestres, entre ellas, los observatorios del Teide (OT) y del Roque de los Muchachos (ORM). Los resultados se publican en la prestigiosa revista Nature.

Un blazar es un tipo de núcleo galáctico activo (AGN) que se alimenta de material que cae en un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia. Alrededor del 10 % de los AGN tienen un par de chorros o jets que son despedidos al espacio interestelar a velocidades cercanas a la de la luz. Los blazares se observan cuando uno de los chorros apunta casi directamente hacia la Tierra, lo que hace que se vea mucho más brillante por efectos relativistas. El fenómeno es similar a lo que ocurre con la luz de un faro.

Los jets producen una emisión de radiación electromagnética que cambia rápidamente con el tiempo y abarca desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Las variaciones que se generan suelen ser aleatorias, sin un patrón aparente, por lo que es necesario observar estas fuentes frecuentemente. Desde hace algo más de 10 años, algunos equipos como la colaboración internacional Whole Earth Blazar Telescope (WEBT) – INAF/Osservatorio Astrofisico di Torino y el grupo de Astrofísica en la Universidad de Boston (EEUU) monitorizan con telescopios terrestres una muestra de blazares brillantes en rayos gamma, que también son observados por los satélites AGILE (Agencia Espacial Italiana) y Fermi (NASA).

En un estudio reciente, la colaboración WEBT ha monitorizado la variabilidad de la luz visible en el blazar BL Lacertae (BL Lac), durante un fuerte estallido en múltiples longitudes de onda en la segunda mitad de 2020. Las observaciones han permitido descubrir ciclos de cambios de brillo visible muy rápidos, oscilando aproximadamente cada 13 horas, y mantenidos durante un mes. BL Lac está alimentado por un agujero negro de 170 millones de masas solares y se encuentra a unos 1.000 millones de años luz.

Estos ciclos de cambios de brillo reciben el nombre de oscilaciones cuasiperiódicas (QPO). “Las QPO se observan con más frecuencia en binarias de rayos X con agujeros negros, que tienen masas más pequeñas, entre 10 y 50 masas solares, y se explican generalmente por aportaciones de gas caliente en el disco de material en acreción que gira alrededor del agujero negro”, explica Svetlana Jorstad, investigadora de la Universidad de Boston que ha dirigido el equipo científico que ha participado en el reciente estudio publicado en Nature. “Sin embargo, en el caso de BL Lac, la luz está polarizada, lo que no ocurre con la emisión por gas caliente en el disco, por lo que interpretar ese comportamiento es complicado”, añade.

Pliegues en el campo magnético del jet

Como posible explicación el equipo propone la formación de un pliegue en el chorro de partículas que retuerce el campo magnético, de manera que hace oscilar el brillo observado. Además, la polarización cambia con una escala de tiempo similar a la del brillo. “Esta luz polarizada procede del jet ­–señala Alan Marscher, investigador de la Universidad de Boston y coautor del estudio–, y la polarización sólo puede variar si el campo magnético cambia en la región que produce la luz, por lo que el campo magnético del chorro debe estar retorciéndose para causar las oscilaciones”.

“Si el campo magnético de un jet tiene un patrón en espiral, la eyección de materia y el campo pueden volverse inestables y retorcerse, creando un pliegue. A medida que las partículas del chorro fluyen a través del pliegue, la orientación del foco emisor cambia de un lado a otro, lo que provoca los QPO”, explica Haocheng Zhang, del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y coautor del estudio.

En la determinación del origen de los rayos gamma en los blazares es muy importante el seguimiento simultáneo en luz visible desde observatorios terrestres y en altas energías desde satélites. Para ello ha sido fundamental la participación conjunta de una red de telescopios ubicados en diferentes lugares de la Tierra. En la investigación se han utilizado observaciones de 37 telescopios diferentes, entre ellos, varios de los situados en el Observatorio del Teide (OT) y en el Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM). “En el caso de BL Lac se ha observado que no hay retraso entre las variaciones observadas en rayos gamma y en visible, lo que indica que ambas emisiones provienen de la misma zona del jet”, comenta José Antonio Acosta Pulido, investigador del IAC y coautor del estudio.