Por primera vez, los astrónomos han podido medir y mapear los rayos X polarizados de los restos de una estrella que explotó, gracias al observatorio espacial IXPE de la NASA. Los hallazgos, que provienen de las observaciones de un remanente estelar llamado Cassiopeia A, arrojan nueva luz sobre la naturaleza de los remanentes de supernovas jóvenes, que aceleran partículas cercanas a la velocidad de la luz.

Lanzado el 9 de Diciembre de 2021, IXPE, una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana, es el primer satélite que puede medir la polarización de la luz de rayos X con este nivel de sensibilidad y claridad.

Todas las formas de luz, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, pueden polarizarse. A diferencia de las gafas de sol polarizadas que usamos para reducir el resplandor de la luz solar que rebota en una carretera mojada o en un parabrisas, los detectores de IXPE mapean las huellas de la luz de rayos X entrante. Los científicos pueden usar estos registros de seguimiento individuales para descubrir la polarización, que cuenta la historia de lo que atravesaron los rayos X.

Cassiopeia A (Cas A para abreviar) fue el primer objeto que IXPE observó después comenzar a recopilar datos. Una de las razones por las que se seleccionó Cas A es que sus ondas de choque, como un estampido sónico generado por un chorro, son algunas de las más rápidas de la Vía Láctea. Las ondas de choque fueron generadas por la explosión de una supernova que destruyó una estrella masiva después de su colapso. La luz de la explosión barrió la Tierra hace más de trescientos años.

“Sin IXPE, nos hemos estado perdiendo información crucial sobre objetos como Cas A”, dijo Pat Slane del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, quien lidera las investigaciones del IXPE sobre remanentes de supernova. “Este resultado nos está enseñando sobre un aspecto fundamental de los restos de esta estrella que explotó: el comportamiento de sus campos magnéticos”.

Los campos magnéticos, que son invisibles, empujan y atraen partículas cargadas en movimiento, como protones y electrones. Más cerca de casa, son los encargados de mantener los imanes pegados a la nevera de la cocina. En condiciones extremas, como una estrella que explota, los campos magnéticos pueden impulsar estas partículas a una velocidad cercana a la de la luz.

A pesar de sus velocidades superrápidas, las partículas arrastradas por las ondas de choque en Cas A no se alejan volando del remanente de supernova porque quedan atrapadas por los campos magnéticos en la estela de los choques. Las partículas se ven obligadas a girar en espiral alrededor de las líneas del campo magnético y los electrones emiten un tipo de luz intensa llamada "radiación de sincrotrón", que está polarizada.

Al estudiar la polarización de esta luz, los científicos pueden aplicar ingeniería inversa a lo que sucede dentro de Cas A a escalas muy pequeñas, detalles que son difíciles o imposibles de observar de otra manera. El ángulo de polarización nos informa sobre la dirección de estos campos magnéticos. Si los campos magnéticos cercanos a los frentes de choque están muy enredados, la mezcla caótica de radiación de regiones con diferentes direcciones de campo magnético generará una menor cantidad de polarización.

Estudios previos de Cas A con radiotelescopios han demostrado que la radiación de radiosincrotrón se produce en regiones a lo largo de casi todo el remanente de supernova. Los astrónomos descubrieron que solo una pequeña cantidad de las ondas de radio estaban polarizadas, alrededor del 5%. También determinaron que el campo magnético está orientado radialmente, como los rayos de una rueda, extendiéndose desde cerca del centro del remanente hacia el borde.

Los datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, por otro lado, muestran que la radiación de sincrotrón de rayos X proviene principalmente de regiones delgadas a lo largo de los choques, cerca del borde exterior circular del remanente, donde se predijo que los campos magnéticos se alinearían con el choque. Chandra e IXPE usan diferentes tipos de detectores y tienen diferentes niveles de resolución angular o nitidez. Lanzado en 1999, la primera imagen científica del Chandra también fue de Cas A.

Antes de IXPE, los científicos había predicho que la polarización de rayos X sería producida por campos magnéticos que son perpendiculares a los campos magnéticos observados por radiotelescopios.

En cambio, los datos del IXPE muestran que los campos magnéticos de los rayos X tienden a alinearse en direcciones radiales incluso muy cerca de los frentes de choque. Los rayos X también revelan una menor cantidad de polarización que la que mostraron las observaciones de radio, lo que sugiere que los rayos X provienen de regiones turbulentas con una mezcla de muchas direcciones de campo magnético diferentes.

"Estos resultados de IXPE no fueron lo que esperábamos, pero como científicos nos encanta que nos sorprendan", dice el Dr. Jacco Vink de la Universidad de Ámsterdam y autor principal del artículo que describe los resultados de IXPE en Cas A. "El hecho de que un porcentaje menor de la luz de rayos X esté polarizada es una propiedad muy interesante, y previamente no detectada, de Cas A”.

El resultado de IXPE para Cas A está abriendo el apetito por más observaciones de remanentes de supernova que están actualmente en curso. Los científicos esperan que cada nuevo objeto observado revele nuevas respuestas, y plantee aún más preguntas, sobre estos importantes objetos que siembran el Universo con elementos críticos.

“Este estudio consagra todas las novedades que IXPE trae a la astrofísica”, dijo el Dr. Riccardo Ferrazzoli del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica/Instituto de Astrofísica Espacial y Planetología en Roma. “No solo obtuvimos información sobre las propiedades de polarización de rayos X por primera vez para estas fuentes, sino que también sabemos cómo cambian en diferentes regiones de la supernova. Como primer objetivo de la campaña de observación de IXPE, Cas A proporcionó un 'laboratorio' astrofísico para probar todas las técnicas y herramientas de análisis que el equipo ha desarrollado en los últimos años”.

"Estos resultados brindan una visión única del entorno necesario para acelerar los electrones a energías increíblemente altas", dijo el coautor Dmitry Prokhorov, también de la Universidad de Amsterdam. "Solo estamos al comienzo de esta historia de detectives, pero hasta ahora los datos de IXPE nos brindan nuevas pistas para rastrear”.