Astrónomos mapean 'ecos de luz' de un agujero negro de masa estelar

Publicado 09/01/2019 18:56:38CET
WIKIMEDIA

   MADRID, 9 Ene. (EUROPA PRESS) -

   Astrónomos liderados por Erin Kara, de la Universidad de Maryland, han trazado el entorno que rodea a un agujero negro de "masa estelar" relativamente pequeño, que es diez veces la masa del Sol.

   Las observaciones proporcionan la imagen más clara hasta la fecha de cómo estos pequeños agujeros negros consumen materia y emiten energía.

   Los resultados de la investigación se presentaron en una conferencia de prensa en la 233 Reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Seattle, Washington, Estados Unidos. También se publican un artículo de investigación en la revista 'Nature'.

   Al utilizar la carga útil del Explorador de Composición Interior (NICER, por sus siglas en inglés) de la estrella Neutron de la NASA a bordo de la Estación Espacial Internacional, el equipo detectó la luz de rayos X del agujero negro recientemente descubierto, llamado MAXI J1820 + 070 (J1820 para abreviar), ya que consumía material de una estrella compañera. Las ondas de los rayos X formaron "ecos de luz" que se reflejaron en el gas que giraba cerca del agujero negro y revelaron cambios en el tamaño y la forma del entorno.

   "NICER nos ha permitido medir ecos de luz más cercanos que nunca a un agujero negro de masa estelar", afirma Kara, autora principal del artículo de investigación, también miembro del Hubble y del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y el Instituto Conjunto de Ciencia del Espacio.

   "Anteriormente, estos ecos de luz procedentes del disco de acreción interno solo se veían en agujeros negros supermasivos, que son de millones a miles de millones de masas solares y sufren cambios lentamente. Los agujeros negros estelares como J1820 tienen masas mucho más bajas y evolucionan mucho más rápido, por lo que podemos ver los cambios que se producen en escalas de tiempo humanas", agrega.

   J1820 se encuentra a unos 10.000 años luz de la Tierra, en dirección a la constelación Leo. La estrella compañera del agujero negro fue identificada en una evaluación realizada por la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA), que permitió a los investigadores estimar su distancia de la Tierra. Los astrónomos no se dieron cuenta de la presencia del agujero negro hasta el 11 de marzo de 2018, cuando se detectó un estallido en la imagen de rayos X (MAXI) de la Agencia Aeroespacial y de Exploración de Japón, también a bordo de la estación espacial.

   En solo unos días, el J1820 pasó de un agujero negro totalmente desconocido a una de las fuentes más brillantes del cielo de rayos X. NICER se movió rápidamente para capturar esta dramática transición y continúa siguiendo la cola desvanecida de la erupción. "NICER fue diseñado para ser lo suficientemente sensible como para estudiar objetos débiles, increíblemente densos llamados estrellas de neutrones --dice Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER y astrofísico en Goddard de la NASA--. Nos complace lo útil que se ha mostrado en el estudio de estos agujeros negros de masa estelar muy brillante en rayos X".

   Un agujero negro puede extraer el gas de una estrella compañera cercana a un anillo de material llamado disco de acreción. Las fuerzas gravitacionales y magnéticas calientan el disco a millones de grados centígrados, lo que lo hace lo suficientemente caliente como para producir rayos X en las partes internas del disco, cerca del agujero negro. Los arrebatos ocurren cuando una inestabilidad en el disco hace que un flujo de gas se precipite repentinamente hacia el agujero negro, como una avalancha gaseosa. Los astrónomos aún no entienden qué causa estas inestabilidades de disco.

   Sobre el disco se encuentra la corona, una región de partículas subatómicas calentadas a mil millones de grados Celsius que brillan en rayos X de mayor energía. Muchos misterios permanecen sobre el origen y la evolución de la corona de un agujero negro. Algunas teorías sugieren que la estructura podría representar una forma temprana de los chorros de partículas de alta velocidad que a menudo emiten estos tipos de sistemas.

CAMBIO DE FORMA Y TAMAÑO DEL DISCO DE ACRECIÓN Y LA CORONA

   Los astrofísicos quieren entender mejor cómo el borde interior del disco de acreción de un agujero negro, y la corona sobre él, cambian de tamaño y forma a medida que un agujero negro consume material de una estrella compañera. Si los científicos pueden entender cómo y por qué ocurren estos cambios en los agujeros negros de masa estelar durante un periodo de semanas, podrían obtener nuevos conocimientos sobre cómo evolucionan los agujeros negros supermasivos durante millones de años y cómo afectan a las galaxias donde residen.

   Un método utilizado para registrar dichos cambios se denomina mapeo de reverberación de rayos X, que utiliza los reflejos de rayos X de la misma forma en que el sonar usa ondas de sonido para mapear el terreno submarino. Algunos rayos X de la corona viajan directamente hacia nosotros, mientras que otros iluminan el disco y se reflejan en diferentes ángulos y energías.

   El mapeo de reverberación de rayos X de los agujeros negros supermasivos ha demostrado que el borde interior del disco de acreción está muy cerca del horizonte de eventos de un agujero negro: el punto más allá del cual no puede escapar la materia o la energía. La corona también es compacta y está más cerca del agujero negro en lugar de sobre gran parte del disco de acreción.

   Las observaciones previas de los ecos de rayos X de los agujeros negros de masa estelar sugirieron que el borde interno del disco de acreción podría estar bastante distante, hasta cientos de veces el tamaño del horizonte de eventos. Sin embargo, J1820 se comportó más como sus primos supermasivos.

   Mientras examinaban las observaciones de NICER de J1820, el equipo de Kara observó una disminución en el retraso, o el tiempo de demora, entre el destello inicial de rayos X que provenía directamente de la corona y el eco del destello del disco. Esto indicó que los rayos X viajaron a distancias cada vez más cortas antes de que se reflejaran. A 10.000 años luz de distancia, los científicos estimaron que la corona se contrajo verticalmente de aproximadamente 100 millas a aproximadamente 10 millas. Para poner esto en perspectiva, sería como ver que algo del tamaño de un arándano se reduzca al tamaño de una semilla de amapola desde la distancia entre la Tierra y Plutón.

   "Esta es la primera vez que vemos este tipo de evidencia de que la corona se está reduciendo durante esta fase particular de la evolución del estallido --afirma el coautor Jack Steiner, astrofísico del Instituto Kavli de Astrofísica y Espacio del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge--. La corona todavía es bastante misteriosa, y aún tenemos una comprensión poco clara de lo que es. Pero ahora tenemos evidencia de que lo que está evolucionando en el sistema es la estructura de la corona en sí".

   Para confirmar que la disminución en el tiempo de demora se debió a un cambio en la corona y no en el disco de acreción, los investigadores utilizaron una señal llamada línea K de hierro, que se crea cuando los rayos X de la corona chocan con los átomos de hierro en el disco, causando su fluorescencia.