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Explore el intrigante mundo de los chorros astrofísicos: sus orígenes de alta energía, sus efectos transformadores en los entornos celestes y su papel clave en la configuración de las galaxias.
¿Sabías que hay chorros en el espacio que se mueven casi tan rápido como la luz visible?
Se trata de los llamados chorros astrofísicos, que son corrientes de gas y partículas que son expulsadas desde los centros de galaxias, estrellas e incluso agujeros negros. Pueden viajar millones de años luz y tienen mucha energía.
Los astrónomos todavía están aprendiendo cómo se forman los chorros astrofísicos y qué hacen exactamente, pero una cosa es segura: son una parte importante de nuestro universo.
En este artículo exploraremos los misterios de los chorros astrofísicos. Aprenderemos sobre sus orígenes, sus propiedades y su impacto en el cosmos.
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¿Qué son los chorros astrofísicos?
Los chorros astrofísicos son corrientes o haces estrechos de materia y radiación electromagnética altamente energéticos expulsados desde diversos objetos celestes, como estrellas, galaxias y agujeros negros, así como desde fenómenos astrofísicos exóticos, como los estallidos de rayos gamma.
Estos chorros pueden consistir en partículas cargadas, como electrones y protones, y radiación electromagnética, como ondas de radio, rayos X y rayos gamma.
Jets astrofísicos (Créditos: Wikimedia Commons)
Estos flujos de materia altamente colimados, que a menudo pueden extenderse a grandes distancias, a veces millones de años luz, afectan significativamente a su entorno. Pueden calentar e ionizar el gas en sus proximidades y transportar grandes cantidades de materia y energía lejos de los objetos astrofísicos con los que están asociados, lo que a su vez puede tener un impacto significativo en la evolución de la galaxia o estrella anfitriona.
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A pesar de décadas de investigación, los mecanismos exactos responsables de la formación de chorros astrofísicos siguen siendo objeto de estudio en curso. Los astrónomos todavía están aprendiendo cómo se forman los chorros astrofísicos, pero existen dos teorías principales: la teoría del campo magnético y la teoría del disco de acreción.
Teoría del campo magnético
Esta destacada teoría sugiere que los chorros son producidos por los intensos campos magnéticos que rodean el objeto astrofísico. Estos campos magnéticos pueden ser extremadamente fuertes y afectar el movimiento de partículas cargadas. Cuando el material cae sobre una estrella o un agujero negro, puede crear un fuerte campo magnético. Este campo magnético puede torcerse y enredarse, creando desequilibrios de presión que impulsan el material hacia afuera. La interacción entre los campos magnéticos y las partículas cargadas en el proceso de acreción juega un papel fundamental en la configuración del chorro.
Vista artística de chorros relativistas que emanan de un agujero negro supermasivo que gira rápidamente rodeado por su disco de acreción. (Créditos: Wikimedia Commons)
Teoría del disco de acreción
Otra teoría ampliamente considerada implica que el disco de acreción que rodea al objeto compacto es el origen de los chorros. El disco de acreción es un disco giratorio de gas que cae gradualmente sobre el objeto en acreción debido a la atracción gravitacional. A medida que el material del disco se mueve, genera fricción y turbulencia, lo que crea campos magnéticos. Estos campos magnéticos, a su vez, ejercen fuerzas sobre el gas circundante, impulsándolo hacia afuera en forma de chorro.
Lea también: ¿Pueden los agujeros negros supermasivos detener la formación de estrellas?
Tipos de chorros astrofísicos
Los chorros astrofísicos se dividen en dos categorías principales, cada una con características y orígenes únicos: chorros relativistas y no relativistas. Como se desprende de sus nombres, los efectos relativistas y los objetos con los que están asociados son los factores clave detrás de esta clasificación.
Jets relativistas
Los chorros relativistas son velocistas cósmicos que atraviesan el espacio a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Se asocian comúnmente con algunos de los objetos más energéticos del Universo, como estallidos de rayos gamma, microcuásares, cuásares y núcleos galácticos activos (AGN).
- Estallidos de rayos gamma Son las explosiones más energéticas del universo. Pueden liberar tanta energía en unos pocos segundos como la que liberará el Sol en toda su vida. Una estrella masiva colapsa y produce GRB.
- Cuásares Son objetos muy distantes y brillantes que emiten mucha radiación. Los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias impulsan estos fenómenos únicos.
- microcuásares Son versiones más pequeñas de los cuásares. Un agujero negro en un sistema estelar binario acumulará material de su estrella compañera para formar un microcuásar.
- Núcleos galácticos activos (AGN) Son similares a los quásares, pero no son tan brillantes y se cree que están impulsados por agujeros negros supermasivos que están acumulando material activamente.
Es intrigante que estos chorros puedan extenderse a distancias de hasta unos pocos megaparsecs en el medio intergaláctico. Algunas de ellas se consideran las estructuras coherentes individuales más grandes del Universo.
Un quásar distante con chorros, capturado por el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral (Créditos: Observatorio Europeo Austral)
La fuerza impulsora detrás de los chorros relativistas es la acumulación de materia en agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias. A medida que la materia gira en espiral hacia estos, se libera una inmensa energía gravitacional. Esta energía luego se convierte en energía cinética del material del chorro, impulsándolo hacia afuera a velocidades tremendas. La liberación de energía es tan inmensa que puede eclipsar a galaxias enteras, lo que convierte a los quásares en algunos de los objetos más luminosos jamás descubiertos en el cosmos.
Jets no relativistas
Por el contrario, los jets no relativistas se mueven a velocidades significativamente más lentas, normalmente hasta unos pocos miles de kilómetros por segundo. Estos chorros se asocian frecuentemente con objetos estelares jóvenes.
Un joven chorro estelar capturado por el Observatorio Internacional Gemini. (Créditos: Wikimedia Commons)
El mecanismo impulsor de los chorros no relativistas también es la acreción. Aunque menos potentes que sus homólogos relativistas, los chorros no relativistas todavía poseen suficiente energía para impactar significativamente su entorno.
Lea también: ¿Qué son los cuásares?
Efectos de los chorros astrofísicos
Lejos de ser curiosidades cósmicas, los chorros muestran consecuencias significativas y transformadoras para el entorno que los rodea. Estos efectos abarcan varios aspectos de la astrofísica y la evolución cósmica. Dado que estas estructuras pueden viajar muy lejos de sus fuentes, su influencia no permanece local.
Calentamiento e ionización: Los chorros astrofísicos pueden calentar e ionizar el gas en sus proximidades. Esto significa que pueden hacer que el gas se caliente más y tenga más carga eléctrica, lo que puede cambiar la forma en que se comporta el gas. Este fenómeno altera dramáticamente el estado físico de la materia en la región circundante.
Una comparación de cómo los flujos del agujero negro afectarían su vecindad al calentarse y ionizarse. (Créditos: Instituto Científico del Telescopio Espacial)
Transporte de Materia y Energía: Estos chorros pueden transportar materia y energía lejos de sus objetos centrales. Esto puede ocurrir en distancias muy largas, lo que podría afectar la evolución de la galaxia o estrella anfitriona.
Nucleosíntesis: A medida que la materia gira en espiral hacia el objeto compacto y posteriormente es expulsada en forma de chorro, transporta elementos sintetizados en los intensos entornos cercanos a estas potencias cósmicas. Este proceso, conocido como nucleosíntesis, es crucial para enriquecer las galaxias con elementos más allá del hidrógeno y el helio. Estos elementos más pesados son fundamentales para la formación de los planetas y el surgimiento de la vida tal como la entendemos.
Papel de los chorros astrofísicos en la evolución de las galaxias
Los chorros astrofísicos, a menudo asociados con agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, ejercen una influencia significativa sobre la evolución de sus galaxias anfitrionas. Este impacto se relaciona con varios aspectos clave.
- Regulación de la formación estelar: Los chorros relativistas, con altas velocidades y energías, pueden calentar e ionizar el gas circundante, lo que puede dificultar que el gas colapse y forme estrellas. Sin embargo, es importante señalar que los agujeros negros también pueden desencadenar la formación de estrellas durante la retroalimentación positiva.
En esta imagen compuesta, se muestran rayos X del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA (rojo), emisiones de radio detectadas por el Karl Jansky Very Large Array o VLA (azul) de la NSF y una imagen óptica del Telescopio Espacial Hubble de la NASA (amarillo). combinados juntos. Hay cuatro galaxias con formación de estrellas presentes, a pesar de la presencia de un agujero negro que alimenta chorros (Radio, por lo tanto, parches azules) (Crédito: Rayos X: NASA/CXC/INAF/R. Gilli et al.; Radio NRAO/VLA; Óptico: NASA/STScI)
- Mecanismo de retroalimentación: La energía liberada por los chorros astrofísicos puede iniciar un mecanismo de retroalimentación en la galaxia anfitriona. Este mecanismo de retroalimentación es vital para mantener un delicado equilibrio entre la formación de estrellas y la actividad de los agujeros negros dentro de las galaxias. En consecuencia, influye sustancialmente en el tamaño, la estructura y la composición generales de estas galaxias y, en última instancia, da forma a su evolución a largo plazo.
Explicar el ciclo de retroalimentación, desde los agujeros negros que engullen gas frío hasta la producción y lanzamiento de flujos de salida y la repetición del ciclo. (Créditos: Telescopio espacial James Webb de la NASA)
Laboratorios de Física Fundamental: Los chorros astrofísicos son extraordinarios laboratorios naturales para explorar la física fundamental en condiciones extremas. Las altas velocidades y los intensos campos magnéticos dentro de estos chorros brindan información única sobre los mecanismos de aceleración de partículas, los efectos relativistas y el comportamiento de la materia en los ambientes más extremos del universo.
Perspectivas de observación y simulaciones
Como ya hemos visto varias imágenes arriba, está claro que estos chorros han sido explorados a través de telescopios. Esto es posible porque estos rayos energéticos de materia emiten una variedad de radiaciones. Por ejemplo, la Event Horizon Telescope Collaboration, la que hizo posible obtener una imagen de la sombra del agujero negro, utiliza observaciones de una red mundial de radiotelescopios. Los chorros también pueden emitir rayos gamma, que pueden capturarse y estudiarse mediante el Telescopio Espacial Fermi.
Una ilustración de cómo estudiamos estos chorros con la ayuda de telescopios.
El estudio de los chorros astrofísicos a menudo implica complejas simulaciones por computadora. Estas simulaciones permiten a los investigadores recrear y explorar la dinámica de estos chorros, incluido el comportamiento de las partículas, los campos magnéticos y la radiación. A través de simulaciones, los científicos pueden probar hipótesis, perfeccionar teorías y comprender mejor los complejos procesos físicos que funcionan dentro de los chorros astrofísicos. Ejemplos famosos de estas simulaciones son BHAC, HARMPI, Athena++, MAD, SANE, etc.
Vista ampliada de un agujero negro lanzando un chorro, simulado por Cruz-Osorio, A usando BHAC
Los chorros astrofísicos son un testimonio de la complejidad y maravilla de nuestro Universo. Estos fenómenos, impulsados por la energía gravitacional de objetos compactos, tienen consecuencias de gran alcance, desde regular la formación estelar hasta distribuir elementos pesados y servir como laboratorios para estudiar física fundamental. Los chorros relativistas asociados con componentes astrofísicos de alta energía pueden tener velocidades casi iguales a la velocidad de la luz, lo que tienta a los astrónomos a estudiar este llamativo concepto aún más profundamente.
Si bien muchos aspectos de los chorros astrofísicos siguen siendo un misterio, las investigaciones en curso prometen iluminar aún más sus secretos, enriqueciendo nuestra comprensión del cosmos y nuestro lugar dentro de él.
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Referencias (haga clic para ampliar)
- Chorros y flujos astrofísicos.
- Frank, J., King, A. y Raine, D. (2002). Poder de acreción en astrofísica. Prensa de la Universidad de Cambridge
- De Young, DS (1991, 19 de abril). Jets astrofísicos. Ciencia. Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS).
- OS Salafia. (2022) [2206.11088] La estructura de los chorros de rayos gamma.
- OS Salafia. (2022) [2206.11088] La estructura de los chorros de rayos gamma.