El caos ordenado de los agujeros negros

El experimento dedicado POLAR de Polarimetría de estallido de rayos gamma. Crédito: © UNIGE

Investigadores en la UNIGE han descubierto que los fotones emitidos durante la creación de un agujero negro parecen estar desordenados; Sin embargo, dentro de una sola porción de tiempo parecen estar altamente ordenados 

Durante la formación de un agujero negro se produce un estallido brillante de luz muy energética en forma de rayos gamma, estos eventos se denominan estallidos de rayos gamma. La física detrás de este fenómeno incluye muchos de los campos menos comprendidos dentro de la física actual: gravedad general, temperaturas extremas y aceleración de partículas mucho más allá de la energía de los aceleradores de partículas más poderosos de la Tierra. Para analizar estos estallidos de rayos gamma, investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), en colaboración con el Instituto Paul Scherrer (PSI) de Villigen, Suiza, el Instituto de Física de Alta Energía en Beijing y el Centro Nacional de Investigación Nuclear de Swierk en Polonia, han construido el instrumento POLAR, enviado en 2016 al laboratorio espacial chino Tiangong-2, para analizar los estallidos de rayos gamma. Contrariamente a las teorías desarrolladas, Los primeros resultados de POLAR revelan que los fotones de alta energía que provienen de los estallidos de rayos gamma no son completamente caóticos, ni están completamente organizados, sino una mezcla de los dos: dentro de cortos períodos de tiempo, se encuentra que los fotones oscilan en la misma dirección, pero La dirección de la oscilación cambia con el tiempo. Estos resultados inesperados se informan en un número reciente de journal Nature Astronomy. 

Cuando dos estrellas de neutrones chocan o una estrella súper masiva se colapsa en sí misma, se crea un agujero negro. Este nacimiento está acompañado por un estallido brillante de rayos gamma, una luz muy energética como la que emiten las fuentes radiactivas, llamada estallido de rayos gamma (GRB). 

¿El ambiente de nacimiento del agujero negro es organizado o caótico? 

Cómo y dónde se producen los rayos gamma es todavía un misterio, existen dos escuelas de pensamiento diferentes sobre su origen. El primero predice que los fotones de los GRB están polarizados, lo que significa que la mayoría de ellos oscilan en la misma dirección. Si este fuera el caso, la fuente de los fotones probablemente sería un campo magnético fuerte y bien organizado formado durante las violentas consecuencias de la producción del agujero negro. Una segunda teoría sugiere que los fotones no están polarizados, lo que implica un entorno de emisión más caótico. 

Apariencia pronosticada de un agujero negro no giratorio con un anillo toroidal de materia ionizada, tal como se ha propuesto como un modelo para Sagitario A *. La asimetría se debe al efecto Doppler resultante de la enorme velocidad orbital necesaria para el equilibrio centrífugo de la atracción gravitacional muy fuerte del agujero. Crédito: Wikipedia.

Pero, ¿cómo comprobar esto? 

"Nuestros equipos internacionales han construido juntos el primer detector potente y dedicado, llamado POLAR, capaz de medir la polarización de los rayos gamma de los GRB. Este instrumento nos permite aprender más sobre su fuente", dijo Xin Wu, profesor del Departamento de Física Nuclear y de Partículas de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. Su sistema operativo es bastante simple. Es un cuadrado de 50x50 cm2 que consta de 1600 barras de centelleo en las que los rayos gamma chocan con los átomos que forman estas barras. Cuando un fotón colisiona en una barra podemos medirlo, luego puede producir un segundo fotón que puede causar una segunda colisión visible. "Si los fotones están polarizados, observamos una dependencia direccional entre las posiciones de impacto de los fotones, continúa Nicolas Produit, Investigador del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. Por el contrario, si no hay polarización, el segundo fotón resultante de la primera colisión saldrá en una dirección completamente aleatoria". 

Orden dentro del caos 

En seis meses, POLAR detectó 55 explosiones de rayos gamma y un científico analizó la polarización de los rayos gamma de los 5 más brillantes. Los resultados son como mínimo son sorprendentes. "Cuando analizamos la polarización de un estallido de rayos gamma en su conjunto, vemos a lo sumo una polarización muy débil, que parece favorecer claramente varias teorías", dice Merlin Kole, investigadora del Departamento de Física Nuclear y de Partículas del Facultad de Ciencias de la UNIGE y uno de los principales autores del artículo. Ante este primer resultado, los científicos analizaron con más detalle una explosión de rayos gamma de 9 segundos de duración muy poderosa y la cortaron en segmentos de tiempo, cada uno de 2 segundos de duración. "Ahí, descubrimos con sorpresa que, por el contrario, los fotones están polarizados en cada sección, pero la dirección de oscilación es diferente en cada sección". Xin Wu se entusiasma. Es esta dirección cambiante la que hace que el GRB completo parezca muy caótico y no polarizado. "Los resultados muestran que a medida que se produce la explosión, ocurre algo que hace que los fotones se emitan con una dirección de polarización diferente, lo que podría ser que realmente no sabemos", continúa Merlin Kole. 

Estos primeros resultados confrontan a los teóricos con nuevos elementos y requieren que produzcan predicciones más detalladas. "Ahora queremos construir POLAR-2, que es más grande y más preciso. Con eso podemos profundizar más en estos procesos caóticos, para finalmente descubrir la fuente de los rayos gamma y desentrañar los misterios de estos procesos físicos altamente energéticos" explica Nicolas Produit. 

El experimento dedicado POLAR de Polarimetría de estallido de rayos gamma sobre el laboratorio espacial TiangGong-2 de China se lanzó el 15 de septiembre de 2016. La luz verde brillante imita la luz centelleante cuando un fotón de rayos gamma incide en una de las 1600 barras de centelleo fabricadas especialmente. La obra de arte se basa en una fotografía tomada por una cámara ubicada a varios metros detrás de POLAR. Crédito: © UNIGE

Source: Université De Genève,