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Chorros superlumÍnicos y aberraciÓn relativista



CHORROS SUPERLUMÍNICOS Y ABERRACIÓN RELATIVISTA


Uno de los campos en los que la radiointerferometría ha dado mayor información, ha sido el del estudio de los chorros. Mediante el arreglo VLBI que hemos descrito (capítulo III) se ha encontrado un hecho sorprendente: algunos de estos chorros parecen desplazarse convelocidades tmayores que la de la luz! A este efecto se le ha llamado expansión superlumínica. Examinemos de cerca el caso del chorro de nuestro viejo conocido: el cuasar 3C 273. La proyección de la parte visible del chorro mide 60 000 años luz. Un estudio de alta resolución en radio (VLBI), revela que el chorro está compuesto de diversos nódulos brillantes; estas configuraciones varían con el tiempo (Figura 50). Durante un lapso de cuatro años, el nódulo brillante se ha ido separando de la parte central en un 50%. A la distancia de 3C 273, esta separación implica una velocidad del nódulo de tcinco veces la velocidad de la luz!



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Figura 49. La presión del gas y de la radiación hacen que el disco de acreción se infle cerca del borde interno formando una especie de 'dona'. El borde interno forma una especie de cañon que sirve para colimar los chorros.

Los astrónomos saben que semejante velocidad de desplazamiento contradice la teoría de la relatividad (cuyas implicaciones han sido ampliamente confirmadas experimentalmente). Existe una explicación de este fenómeno que implica que, en realidad, se trata de una ilusión. La idea se ilustra en estas páginas (Figura 51). Para que se produzca esta ilusión, deben cumplirse dos requisitos: primero, que la dirección de movimiento del chorro forme un ángulo pequeño respecto de la línea visual entre el observador y la radiofuente. Segundo, que la velocidad real de desplazamiento del chorro sea cercana a la velocidad de la luz (es decir, que el chorro sea relativista).

Paracomprender las implicaciones de que los chorros sean relativistas, examinaremos el fenómeno conocido como aberración o direccionalidad relativista. Imaginemos a un cazador que quiere matar a un pato cuando esté directamente sobre su cabeza. Debe apuntar su rifle hacia arriba y disparar un poco antes de que el pato pase sobre su cabeza. Los perdigones viajarán verticalmente hacia arriba en lo que el pato vuela hacia ese mismo punto (o al menos eso espera el cazador). Ahora consideremos cómo ve las cosas el pato. Debido a su movimiento, le parece que es el cazador el que viene hacia él, y los perdigones en lugar de verlos moverse sólo hacia arriba, tienen una componente horizontal en su movimiento. Dicho en otras palabras, los perdigones viajan, para él, con una ligera aberración que inclina su trayectoria en la dirección en la que el cazador parece venir hacia él.



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Figura 50. Observaciones de VLBI del cuasar 3C273, que muestran una velocidad de separación entre nódulos de radio aparentemente mayor que la velocidad de la luz.

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Figura 51. Diagrama que explica la expansión superlumínica (movimiento con velocidades aparentemente mayores que c) como una ilusión debida a dos hechos: primero, la velocidad real de movimiento es cercana a c y, segundo, el ángulo entre la dirección del chorro y la línea visual es pequeña (en el caso de diagrama, 20°). En (a) la fuente emite un nódulo de plasma en el jet, un año después (b), el observador (situado en el plano inferior) sigue viendo sólo la fuente central,le falta un año para la emergencia del nódulo (plano intermedio). Mientras tanto, el nódulo se ha alejado con una velocidad de 0.9 c, de la fuente central a lo largo del chorro que forma un ángulo de 20 grados con la línea visual. Después de dos años (c), el observador ve la emergencia del nódulo. Mediante una construcción trigonométrica simple, podemos ver que la luz que el nódulo emitió en (b) está tan sólo .15 años luz atrás, por lo que .15 años luz después de (c), el observador verá que el nódulo se ha movido 0.3 años luz: una velocidad aparente de 2c.

Lo mismo les sucede a los fotones. Por ello, una nube de plasma —chorro— que radia fotones de manera igual en todas direcciones, parecerá brillar preferencialmente en la dirección de su movimiento. Si él chorro es relativista —su movimiento alcanza casi la velocidad de los fotones que emite— el efecto es muy pronunciado (Figura 52).

Tomemos el caso del chorro, cuyo movimiento relativista produce la ilusión de la expansión superlumínica en una radiofuente. Aproximadamente la mitad de los fotones emitidos se verán en un cono angosto —ángulo de apertura de cinco a veinte grados— en la dirección de movimiento del chorro. Además, los fotones en este cono se verán más energéticos. Esto se debe a que, al moverse casi en dirección del observador, sufrirán un corrimiento Doppler al azul en longitud de onda, por lo que aumentará la frecuencia, y por ende la energía. El resultado neto es impresionante: si el observador está de frente —o casi—al cono, el chorro se veráentre cien y mil veces más brillante que si estuviese en reposo. Si el observador está completamente fuera del ángulo de apertura del cono, el chorro será prácticamente invisible.

Usando estos hechos, podemos ahora dar una interpretación unificada de la diversidad de radiofuentes extragalácticas que se observan.

Supongamos que la mayoría de las radiofuentes extragalácticas eyectan chorros en direcciones opuestas desde el núcleo. Si los chorros se eyectan a un ángulo pequeño con respecto a la dirección de la fuente al observador —a la Tierra— veremos sólo el chorro dirigido hacia nosotros. Esto explicaría los chorros unilaterales. En el caso extremo en que el chorro esté dirigido directamente hacia nosotros —o casi— el aumento de brillo será tan grande que, por contraste, puede impedirnos ver todo el gas circundante a la fuente central. Esta podría ser la explicación de la ausencia de líneas de emisión en los objetos tipo BL Lac (lagartos). Los lagartos serían radiofuentes con un chorro relativista apuntando hacia nosotros. Este modelo explica otras características de los lagartos, como es la de alta variabilidad en brillo y polarización; pero, desgraciadamente, está fuera de las posibilidades de este libro entrar en esos detalles.

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Figura 52. La aberración relativista enfoca la radiación de un objeto que se mueve con velocidad cercana a la de la luz, de manera que el objeto radia intensamente en la dirección de movimiento. En (a) el emisor (una nube de plasma) se mueve hacia la derecha a la mitad de lavelocidad de la luz (0.5c). En (b) se mueve con una velocidad de 0.75c, en (c) la velocidad es de 0.94c y en (d) de 0.98c. En este caso el emisor se vuelve prácticamente invisible excepto si es visto de frente a la dirección de movimiento. La forma de cada haz muestra sólo la forma como la intensidad de la radiación varía con el ángulo de emisión. Visto directamente de frente, el emisor es, en (a), siete veces más brillante que un emisor estacionario, en (b) 30 veces más brillante, en (c) 440 veces más brillante y en (d) 3 1000 veces más brillante.

Finalmente, cuando la dirección de eyección de los chorros fuese perpendicular —o casi— a la línea visual, veríamos las clásicas radiogalaxias con sus lóbulos dobIes. En el caso de las fuentes más potentes, como Cisne A (Figura 30) los chorros serían altamente relativistas y eso explica que sean invisibles (sólo se ven los lóbulos, pero no la conexión con la fuente central). Para fuentes menos potentes, el efecto de direccionalidad relativista sería menor y eso explica la observación de los chorros bilaterales (Figura 33).





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