‘Ecos’ del otro lado de un agujero negro

La primera observación directa de luz desde detrás de un agujero negro acaba de describirse en un artículo  publicado en Nature

Lo que llama la atención en este trabajo no es tanto la confirmación, una vez más, de la Relatividad General de Einstein. Más bien es el hecho de que podemos observar el efecto en acción en este entorno.  He leído ‘Light in the Darkness: Black Holes, the Universe, and Us‘ (HarperOne 2021) de Heino Falcke. Me hizo pensar mucho en observar lo que alguna vez se consideró inobservable. Eso hicieron Falcke y el esfuerzo interferométrico mundial llamado ‘Event Horizon Telescope‘ cuando lograron producir la primera imagen de un agujero negro.

La famosa imagen de ese trabajo que se difundió por todo el mundo en los medios de comunicación fue del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87.

El nuevo estudio

Ahora el nuevo artículo, no ofrece ninguna imagen. Da datos sobre las reveladoras emisiones de rayos X, en una galaxia llamada I Zwicky 1 (I Zw 1). Esta es una galaxia Seyfert a 800 millones de años luz del Sol. Estas son galaxias activas con agujeros negros supermasivos en sus centros y núcleos en forma de cuásar. Los datos de este se extrajeron de las observaciones de I Zw 1 a principios de 2020 por los telescopios de rayos X NuSTAR y XMM-Newton.

Dan Wilkins, es el autor principal del artículo sobre este trabajo en Nature. Él es un científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas de Stanford y del Laboratorio Nacional del Acelerador de SLAC. Explica cómo la maleabilidad del espacio-tiempo hace posibles las observaciones del agujero negro de I Zw 1, de la siguiente manera.

“Cualquier luz que entre en ese agujero negro no sale, por lo que no deberíamos poder ver nada que esté detrás del agujero negro. La razón por la que podemos ver eso es porque ese agujero negro está deformando el espacio. Entonces dobla la luz y retuerce los campos magnéticos alrededor de sí mismo.»

La corona del agujero negro y la producción de rayos X

Los investigadores observaron destellos brillantes de emisiones de rayos X, producidos cuando el gas cae en un agujero negro supermasivo. Las destellos hicieron eco del gas que caía en el agujero negro y, a medida que los destellos disminuían, se vieron breves destellos de rayos X. Estos corresponden al reflejo de los destellos del lado lejano del disco, doblados alrededor del agujero negro por su fuerte campo gravitacional. 
Crédito: Dan Wilkins.

El material que se mueve en las regiones más internas del disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo forma una corona. Ésta es compacta y variable de luz de rayos X cerca del objeto y permite a los científicos mapear y caracterizar el disco de acreción. Aquí, el gas sobrecalentado crea un plasma magnetizado atrapado en el giro del agujero negro. El campo magnético se retuerce sobre sí mismo y finalmente se rompe. Los rayos X se reflejan desde el disco de acreción. Eso nos da una mirada a los eventos justo fuera del horizonte de eventos del agujero negro.

Todo esto se ajusta al pensamiento actual sobre cómo se forma la corona del agujero negro.

Los destellos pequeños de rayos X: los ecos

Pero los investigadores luego detectaron una serie de destellos de rayos X más pequeños. Éstos son reflejos de la parte interna del disco de acreción con retrasos de tiempo de reverberación calculables. Wilkins los llama «ecos» porque son los mismos destellos de rayos X pero reflejados desde la parte posterior del disco. Esto nos da la primera información que tenemos para caracterizar el lado lejano de un agujero negro, y se deriva de la investigación anterior de Wilkins. El científico lo relata de la siguiente forma.

“Este campo magnético, retorcido por el agujero negro, que luego se rompe, calienta todo a su alrededor y produce estos electrones de alta energía. Éstos últimos son los que luego producen los rayos X. He estado construyendo predicciones teóricas de cómo nos aparecen estos ecos durante algunos años. Los había visto en la teoría que he estado desarrollando, así que una vez que los vi en las observaciones del telescopio, pude averiguar la conexión».

Esta es la Figura 2 del documento, etiquetada como «Esquema del modelo de reverberación de rayos X». Leyenda: Los rayos X se emiten desde una corona de partículas energéticas cerca del agujero negro. Algunos de estos rayos llegan directamente al observador, pero algunos iluminan las regiones internas del disco de acreción y se observan reflejados desde el disco. 
La fuerte curvatura de la luz en el campo gravitacional alrededor del agujero negro enfoca los rayos hacia el agujero negro. Pero también lo hace hacia las regiones internas del disco. Los rayos reflejados desde la parte posterior del disco se pueden doblar alrededor del agujero negro (giratorio). Esto permite la reaparición de rayos X de partes del disco que clásicamente estarían ocultas detrás del agujero negro. 
Crédito:
Wilkins et al.

Sondeando el disco de acreción con un fino nivel de detalle

Lo que encuentro extraordinario es que estamos vislumbrando el disco de acreción en funcionamiento con un fino nivel de detalle. Los destellos en la corona de este agujero negro «revelan la respuesta temporal del disco de acreción iluminado», como dice el artículo. Luego explica los fuertes efectos Doppler en juego aquí, según reproducimos a continuación.

Los fotones de la línea de emisión de diferentes partes del disco experimentan diferentes cambios Doppler. Esto es debido a la variación en la velocidad de la línea de visión a través del disco. Además también experimentan corrimientos al rojo gravitacionales, que aumentan más cerca del agujero negro. Entonces, los cambios de energía de los fotones lineales contienen información sobre las posiciones en el disco de acreción desde el que fueron emitidos. El tiempo de viaje de la luz varía según la distancia de cada parte del disco a la corona. Se espera que la emisión de línea en diferentes cambios de energía responda a los destellos en diferentes momentos.

Obteniendo otros datos

Los datos de las erupciones coronales y sus reverberaciones permiten al equipo medir la altura de la fuente de rayos X sobre el disco. Además también medir la masa del agujero negro en sí, que resulta ser del orden de 30 millones de masas solares. Los autores entran en detalles sobre los factores en juego en la estimación masiva. Como el artículo está disponible en línea, dejaré ese análisis para aquellos interesados ​​en seguirlo ellos mismos.

Conclusión

Una vez más, los agujeros negros proporcionan una forma de ver lo que se creía inobservable. El coautor Roger Blandford, también en Stanford, toma nota de lo lejos que hemos llegado:

«Hace cincuenta años, los astrofísicos comenzaron a especular sobre cómo podría comportarse el campo magnético cerca de un agujero negro. No se imaginaban entonces, que algún día podríamos tener las técnicas para observarlo directamente y ver la teoría general de la relatividad de Einstein en acción».

El observatorio de rayos X Athena (Telescopio Avanzado para Astrofísica de Alta Energía) de la Agencia Espacial Europea seguirá avanzando aún más. Wilkins es parte del equipo que desarrolla el detector ‘Wide Field Imager’ para el telescopio, cuyo lanzamiento está previsto para 2031.

El ‘paper’ es: Wilkins et al., “Light bending and X-ray echoes from behind a supermassive black hole,” Nature 595 (2021), 657-660 (abstract).

Fuente: Centaury Dreams.

Artículo original: «‘Echoes’ from the Far Side of a Black Hole. Paul Gilster. July 30, 2021.

Material relacionado

La noticia presentada en otros medios

Ecos provenientes de detrás de un agujero negro. Crédito: ESA-XMM-Newton.

Stanford astrophysicists report first detection of light from behind a black hole. Taylor Kubota. Stanford University. July28, 2021.

Toda la información sobre el telescopio espacial europeo XMM_Newton la encuentra aquí:

Toda la información sobre el telescopio espacial NuSTAR (The Nuclear Spectroscopic Telescope Array):

La página de KIPAC: Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford:

Curiosidades

Cómo se refleja el universo cerca de los agujeros negros

La luz de la galaxia de fondo rodea un agujero negro un número creciente de veces, cuanto más se acerca al agujero y, por lo tanto, vemos la misma galaxia en varias direcciones. 
Crédito:
Peter Laursen.

En las proximidades de los agujeros negros, el espacio está tan deformado que incluso los rayos de luz pueden curvarse a su alrededor varias veces. Este fenómeno puede permitirnos ver múltiples versiones de lo mismo. Si bien esto se ha sabido durante décadas, solo ahora tenemos una expresión matemática exacta. Esto es gracias a Albert Sneppen, estudiante del Instituto Niels Bohr. El resultado, que incluso es más útil en agujeros negros realistas, acaba de ser publicado en la revista Scientific Reports.

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