Spectropolarimetric detection of baryonic mass loading in a transient relativistic jet: application to the black hole X-ray binary Swift J1727.8$-$1613

Resumen Técnico: Detección espectropolarimétrica de la carga de masa bariónica en un chorro relativista transitorio

Problema y motivación
La emisión de radio de los estallidos de binarias de rayos X (XRB) se analiza típicamente utilizando diagnósticos de intensidad total (densidad de flujo, espectros, variabilidad y movimiento propio) para estudiar los chorros relativistas. Aunque estos métodos restringen la cinemática y la energética del chorro, ofrecen una visión limitada de la composición del plasma y el contenido de masa. La espectropolarimetría proporciona una sonda complementaria a través de la rotación de Faraday y la despolarización. Sin embargo, la aplicación de estas técnicas a fuentes de chorros transitorios es poco frecuente. Cuando el material que produce la rotación de Faraday es local a la fuente, puede restringir la composición del chorro (por ejemplo, distinguiendo entre plasmas de electrón-protón y electrón-positrón) y la carga de masa, pero este enfoque no se ha aplicado sistemáticamente a las fases de llamarada de los estallidos de las XRB.

Metodología
Los autores presentan la espectropolarimetría en la banda L de MeerKAT (frecuencia central $\sim$1.28 GHz, ancho de banda de 856 MHz) de la binaria de rayos X con agujero negro Swift J1727.8−1613 durante su estallido de 2023. El estudio se centra en 15 épocas que abarcan el intervalo de llamarada de radio más brillante (septiembre–noviembre de 2023), además de observaciones suplementarias de principios de 2024, cuando se resolvieron eyecciones discretas.

El análisis empleó un riguroso flujo de calibración y de imagen de full-Stokes (polkat), que incluyó:

1. Calibración: Calibración de referencia utilizando calibradores (PKS B1934−638, 3C286, J1733−1304) para corregir la fuga instrumental y las fases de mano cruzada, seguida de una autocalibración iterativa (solo fase y compleja) para gestionar las limitaciones de rango dinámico durante las llamaradas brillantes.
2. Análisis espectropolarimétrico: Se utilizaron dos técnicas complementarias para caracterizar los espectros de polarización lineal ($Q, U$):
   • Síntesis de Medida de Rotación (RM): Un enfoque no paramétrico para reconstruir la función de dispersión de Faraday ($F(\phi_f)$), identificando componentes Faraday-delgados (no resueltos) y Faraday-gruesos (anchos).
   • Ajuste paramétrico $QU$: Un marco de inferencia bayesiana utilizando muestreo anidado (dynesty) para ajustar modelos compuestos por componentes Faraday-delgados (S), componentes Faraday-gruesos modelados como super-Gaussianos en el espacio de Faraday (T), y componentes de ley de potencia (P). La selección del modelo se basó en la evidencia bayesiana ($\Delta \ln Z$).

Resultados clave

1. Complejidad de Faraday transitoria: La fuente exhibió un comportamiento predominantemente Faraday-simple (un único componente delgado con una medida de rotación estable de $\phi_{rm} \approx -0.5$ a $-1.0$ rad m$^{-2}$, atribuida al medio interestelar) antes y después del intervalo de la llamarada. Durante las llamaradas más brillantes (específicamente el 6 y el 14 de octubre de 2023), la espectropolarimetría reveló una estructura compleja y transitoria que requería múltiples componentes Faraday-gruesos. Estos componentes estaban significativamente desplazados del valor del frente de onda del ISM (por ejemplo, $\phi_{rm} \sim -88$ y $+53$ rad m$^{-2}$ el 6 de octubre) y mostraban anchuras ($W_{rm,99} \sim 100$ rad m$^{-2}$) indicativas de rotación interna.
2. Origen interno: La estrecha asociación temporal con las llamaradas de radio, combinada con la estabilidad de la pantalla de Faraday de primer plano, favorece un origen interno a los eyectos del chorro en lugar de en el ISM o en una pantalla externa transitoria.
3. Composición del plasma: La detección de una rotación de Faraday interna significativa descarta un plasma de electrón-positrón puramente simétrico en carga, donde las contribuciones de rotación se cancelarían. Los datos favorecen un componente dominante de electrón-protón en el material que produce la rotación de Faraday.
4. Restricciones de la carga de masa: Al anclar la fuerza del campo magnético y la longitud del camino mediante el modelado de autoabsorción sincrotrónica (SSA) de las curvas de luz de la llamarada, los autores infirieron una masa característica de rotación de Faraday de $M_{rot} \sim 10^{21}$ g. Esto corresponde a una pequeña fracción ($f_{rot} \sim 10^{-3}$) de la masa total acumulada durante la llamarada. Este valor es significativamente inferior a las fracciones de masa inferidas para los eyectos de etapa tardía en otros sistemas, lo que sugiere que la carga de masa ocurre sustancialmente durante la propagación aguas abajo.
5. Aceleración de partículas: El análisis sugiere que los electrones relativistas emisores de sincrotrón por sí solos son insuficientes para producir la rotación de Faraday observada, incluso con cortes de baja energía conservadores. Los datos implican la presencia de un reservorio de electrón-protón más frío y de emisión débil que domina la rotación y el contenido total del plasma. La eficiencia de aceleración de electrones inferida ($\epsilon_{acc}$) es alta ($\gtrsim 10\%$), consistente con una aceleración por choque eficiente.
6. Evolución del ángulo de polarización: El ángulo de polarización intrínseco mostró una oblicuidad significativa (desviación de las orientaciones canónicas alineadas con el chorro) durante y después de la llamarada, con algunos componentes apareciendo ortogonales entre sí. Esto puede indicar diferentes mecanismos de ordenamiento del campo magnético (compresión vs. cizalla) o efectos de visión relativista en geometrías de campo helicoidal.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma que la espectropolarimetría en el dominio del tiempo puede transformar la complejidad de Faraday transitoria en una herramienta de diagnóstico para la composición del chorro, la carga de masa y la evolución del plasma en los estallidos de binarias de rayos X. Específicamente:

• Demuestra que la rotación de Faraday interna puede detectarse en eyectos transitorios, proporcionando evidencia directa de la carga de masa bariónica en chorros relativistas.
• Establece un método para restringir la masa del plasma que produce la rotación de Faraday en relación con el presupuesto de acreción, revelando que los eyectos de etapa temprana pueden ser significativamente más ligeros que sus contrapartes de etapa tardía debido al posterior arrastre de masa.
• Proporciona restricciones observacionales sobre la fracción de electrones acelerados a energías relativistas frente a la población total de electrones.
• Los autores enfatizan que estos resultados son específicos del estallido de Swift J1727 y que la técnica requiere espectropolarimetría de banda ancha y un modelado de imagen VLBI simultáneo para resolver completamente la estructura física de los componentes de Faraday en estudios futuros. No afirman que este método sea rutinario actualmente, sino que lo presentan como una prueba de concepto para futuras instalaciones como el ngVLA y el SKA.