Una búsqueda revela ocho nuevas fuentes de ecos de agujeros negros

Los hallazgos ayudarán a los científicos a rastrear la evolución de un agujero negro a medida que se alimenta de material estelar.

En esta ilustración, un agujero negro extrae material de una estrella vecina y lo deposita en un disco de acreción.
Crédito:
Aurore Simonnet y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
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Dispersos a lo largo de nuestra galaxia, la Vía Láctea, hay decenas de millones de agujeros negros: pozos gravitatorios inmensamente fuertes del espacio-tiempo, de los cuales la materia que cae, e incluso la luz, nunca pueden escapar. Los agujeros negros son oscuros por definición, excepto en las raras ocasiones en que se alimentan. Cuando un agujero negro atrae gas y polvo de una estrella en órbita, puede emitir espectaculares ráfagas de luz de rayos X que rebotan y hacen eco en el gas, iluminando brevemente los alrededores extremos de un agujero negro.

Ahora, los astrónomos del MIT están buscando destellos y ecos de binarias de rayos X de agujeros negros cercanos, sistemas con una estrella que orbita y, en ocasiones, es devorada por un agujero negro. Están analizando los ecos de tales sistemas para reconstruir la vecindad extrema e inmediata de un agujero negro.

En un estudio que aparece hoy en el Astrophysical Journal, los investigadores informan sobre el uso de una nueva herramienta de búsqueda automatizada, que han acuñado como «Máquina de reverberación», para buscar en los datos satelitales signos de ecos de agujeros negros. En su búsqueda, han descubierto ocho nuevas binarias de agujeros negros con eco, en nuestra galaxia. Anteriormente, solo se sabía que dos de estos sistemas en la Vía Láctea emitían ecos de rayos X.

Al comparar los ecos entre sistemas, el equipo ha construido una imagen general de cómo evoluciona un agujero negro durante un estallido. En todos los sistemas, observaron que un agujero negro primero pasa por un estado «duro», generando una corona de fotones de alta energía junto con un chorro de partículas relativistas que se lanzan a una velocidad cercana a la de la luz. Los investigadores descubrieron que, en cierto punto, el agujero negro emite un destello final de alta energía, antes de pasar a un estado «suave» de baja energía.

Este destello final puede ser una señal de que la corona de un agujero negro, la región de plasma de alta energía justo fuera del límite de un agujero negro, se expande brevemente, expulsando una explosión final de partículas de alta energía antes de desaparecer por completo. Estos hallazgos podrían ayudar a explicar cómo los agujeros negros supermasivos más grandes en el centro de una galaxia pueden expulsar partículas a través de vastas escalas cósmicas para dar forma a la formación de una galaxia.

“El papel de los agujeros negros en la evolución de las galaxias es una cuestión pendiente en la astrofísica moderna”, dice Erin Kara, Profesora Asistente de Física en el MIT. «Curiosamente, estas binarias de agujeros negros parecen ser ‘mini’ agujeros negros supermasivos y, por lo tanto, al comprender los estallidos en estos pequeños sistemas cercanos, podemos entender cómo los estallidos similares en los agujeros negros super masivos afectan a las galaxias en las que residen».

El primer autor del estudio es la estudiante graduada del MIT, Jingyi Wang; otros coautores incluyen a Matteo Lucchini y Ron Remillard en el MIT, junto con colaboradores de Caltech y otras instituciones.

Retrasos de rayos X

Kara y sus colegas están usando ecos de rayos X para mapear la vecindad de un agujero negro, de la misma manera que los murciélagos usan ecos de sonido para navegar por su entorno. Cuando un murciélago emite un sonido, éste puede rebotar en un obstáculo y regresar al murciélago como un eco. El tiempo que tarda el eco en regresar es relativo a la distancia entre el murciélago y el obstáculo, lo que le da al animal un mapa mental de su entorno.

De manera similar, el equipo del MIT busca mapear la vecindad inmediata de un agujero negro utilizando ecos de rayos X. Los ecos representan retrasos de tiempo entre dos tipos de luz de rayos X: la luz emitida directamente desde la corona y la luz de la corona que rebota en el disco de acreción de gas y polvo.

El tiempo en que un telescopio recibe luz de la corona, en comparación con cuando recibe los ecos de rayos X, da una estimación de la distancia entre la corona y el disco de acreción. Observar cómo cambian estos retrasos de tiempo puede revelar cómo evolucionan la corona y el disco de un agujero negro a medida que el agujero negro consume material estelar.

Evolución del eco

En su nuevo estudio, el equipo desarrolló un algoritmo de búsqueda para analizar los datos tomados por el ‘Neutron star Interior Composition Explorer’ (Explorador de Composición Interior de la estrella de Neutrones) de la NASA, o NICER, un telescopio de rayos X de alta resolución en el tiempo a bordo de la Estación Espacial Internacional. El algoritmo seleccionó 26 sistemas binarios de rayos X de agujeros negros que anteriormente se sabía que emitían estallidos de rayos X. De estos 26, el equipo encontró que 10 sistemas estaban lo suficientemente cerca y brillantes como para poder discernir ecos de rayos X en medio de los estallidos. No se sabía previamente que ocho de los 10 emitieran ecos.

“Vemos nuevas firmas de reverberación en ocho fuentes”, dice Wang. «Los agujeros negros varían en masa de cinco a 15 veces la masa del Sol, y todos están en sistemas binarios con estrellas similares al Sol, normales y de baja masa».

Como proyecto paralelo, Kara está trabajando con los académicos de educación y música del MIT, Kyle Keane e Ian Condry, para convertir la emisión de un típico eco de rayos X en ondas sonoras audibles.  Escuche el sonido del eco de un agujero negro aquí:

Crédito: Sonido calculado por Kyle Keane y Erin Kara, MIT. 
Animación calculada por Michal Dovciak, ASU CAS.

Luego, los investigadores ejecutaron el algoritmo en las 10 binarias de agujeros negros y dividieron los datos en grupos con «características de tiempo espectral» similares, es decir, retrasos similares entre los rayos X de alta energía y los ecos reprocesados. Esto ayudó a rastrear rápidamente el cambio en los ecos de rayos X en cada etapa durante el estallido de un agujero negro. 

El equipo identificó una evolución común en todos los sistemas. En el estado «duro» inicial, en el que una corona y un chorro de partículas de alta energía dominan la energía del agujero negro, detectaron retrasos de tiempo que eran cortos y rápidos, del orden de milisegundos. Este estado duro dura varias semanas. Luego, se produce una transición durante varios días, en la que la corona y el chorro chisporrotean y se extinguen, y toma el control un estado blando, dominado por rayos X de menor energía del disco de acreción del agujero negro.   

Durante este estado de transición de duro a suave, el equipo descubrió que los retrasos de tiempo se hicieron momentáneamente más largos en los 10 sistemas, lo que implica que la distancia entre la corona y el disco también se hizo más grande. Una explicación es que la corona puede expandirse brevemente hacia afuera y hacia arriba, en un último estallido de alta energía antes de que el agujero negro termine la mayor parte de su comida estelar y se quede en silencio.

“Estamos en los comienzos de poder usar estos ecos de luz para reconstruir los entornos más cercanos al agujero negro”, dice Kara. «Ahora hemos demostrado que estos ecos se observan comúnmente, y podemos probar las conexiones entre el disco, el chorro y la corona de un agujero negro de una nueva manera».

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA.

Fuente: Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Artículo original: Search reveals eight new sources of black hole echoes‘. Jennifer Chu. May 2, 2022.

Material relacionado

Conociendo los alrededores de un agujero negro

XMM-Newton mapea los alrededores del agujero negro

Estas ilustraciones muestran los alrededores de un agujero negro que se alimenta de gas ambiental según lo mapeado utilizando el observatorio de rayos X XMM-Newton de la ESA. A medida que el material cae en el agujero negro, gira en espiral para formar un disco aplanado, como se muestra aquí, calentándose mientras lo hace. En el mismo centro del disco, cerca del agujero negro, una región de electrones muy calientes, con temperaturas de alrededor de mil millones de grados, conocida como corona, produjo rayos X de alta energía que fluyen hacia el espacio. Un nuevo estudio ha utilizado los ecos reverberantes de esta radiación, observados por XMM-Newton, para mapear los alrededores de un agujero negro. Más información.
Crédito: ESA, XMM-Newton.

La anatomía de una llamarada de agujero negro

Este diagrama muestra cómo una característica cambiante, llamada corona, puede crear un destello de rayos X alrededor de un agujero negro. La corona (característica representada en colores purpúreos) se acumula hacia adentro (izquierda) y se vuelve más brillante antes de salir disparada del agujero negro (centro y derecha). Los astrónomos no saben por qué se desplazan las coronas, pero han aprendido que este proceso conduce a un aumento de la luz de rayos X que se puede observar con telescopios.

Normalmente, antes de que se desplace la corona de un agujero negro, ya existe un efecto llamado refuerzo relativista. A medida que la luz de rayos X de la corona se refleja en el disco de material que rodea al agujero negro, que viaja cerca de la mitad de la velocidad de la luz, la luz de rayos X se vuelve más brillante, como se ve en el lado izquierdo de la ilustración. Este impulso ocurre en el lado del disco donde el material viaja hacia nosotros. El efecto opuesto, una atenuación de la luz de rayos X, ocurre en el otro lado del disco alejándose de nosotros.

Otra forma de impulso relativista ocurre cuando la corona sale disparada del agujero negro y luego colapsa. Su luz de rayos X también se intensifica, ya que la corona viaja hacia nosotros y genera destellos de rayos X.

En 2014, la matriz del telescopio espectroscópico nuclear de la NASA, o NuSTAR, y el telescopio espacial Swift fueron testigos de una llamarada X del agujero negro supermasivo en una galaxia distante llamada Markarian 335. Las observaciones permitieron a los astrónomos vincular una corona cambiante a una llamarada de rayos X por primera vez.

En un primer momento, los astrónomos ven desaparecer la corona de un agujero negro y luego reaparecer.

Los astrónomos del MIT y de otros lugares vieron desaparecer la corona de un agujero negro y luego reaparecer por primera vez. 
Una estrella en colisión puede haber desencadenado la transformación drástica.
Crédito de la imagen:
NASA/JPL-Caltech
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Por primera vez, los astrónomos del MIT y otros lugares han observado cómo la propia corona de un agujero negro supermasivo, el anillo ultrabrillante de partículas de alta energía de mil millones de grados que rodea el horizonte de eventos de un agujero negro, se destruyó abruptamente.

La causa de esta transformación dramática no está clara, aunque los investigadores suponen que la fuente de la calamidad puede haber sido una estrella atrapada en la atracción gravitatoria del agujero negro. Como una piedra arrojada a una caja de engranajes, la estrella puede haber rebotado a través del disco de material arremolinado del agujero negro, causando que todo lo que se encontraba en los alrededores, incluidas las partículas de alta energía de la corona, cayera repentinamente en el agujero negro.

Conociendo los sistemas binarios con un agujero negro (ó binarios de rayos X).

Obtenga más información sobre los sistemas de agujeros negros más conocidos de nuestra galaxia y su vecina, la Gran Nube de Magallanes.
Esta visualización presenta 22 sistemas binarios de rayos X que albergan agujeros negros confirmados a la misma escala, con sus órbitas aceleradas unas 22.000 veces.
La vista de cada sistema refleja cómo lo vemos desde la Tierra. Los colores de las estrellas que van desde el blanco azulado hasta el rojizo representan temperaturas desde 5 veces más calientes hasta un 45 % más frías que nuestro Sol. En la mayoría de estos sistemas, una corriente de materia procedente de la estrella forma un disco de acreción alrededor del agujero negro. En otros, como el famoso sistema llamado Cygnus X-1, la estrella produce un fuerte flujo de salida que es parcialmente arrastrado por la gravedad del agujero negro para formar el disco. Los discos de acreción usan un esquema de color diferente porque tienen temperaturas aún más altas que las estrellas.
El disco más grande que se muestra, perteneciente a un binario llamado GRS 1915, abarca una distancia mayor que la que separa a Mercurio de nuestro Sol. Los propios agujeros negros se muestran más grandes que en la realidad usando esferas escaladas para reflejar sus masas.
Música: «Event Horizon» de Gravity. Escrito y producido por Lars Leonhard.
Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Estudio de Visualización Científica.

Los agujeros negros son muy difíciles de encontrar. Son objetos con una gravedad tan fuerte que la luz no puede escapar de ellos, por lo que debemos confiar en las pistas de su entorno para encontrarlos.

Cuando una estrella que pesa más de 20 veces el Sol se queda sin combustible, colapsa en un agujero negro. Los científicos estiman que hay decenas de millones de estos agujeros negros repartidos por la Vía Láctea, pero hasta ahora solo hemos identificado unas pocas docenas. La mayoría de ellos se encuentran junto a una estrella, cada uno girando alrededor del otro. Otro nombre para este tipo de par es sistema binario. Esto se debe a que, en las circunstancias adecuadas, el material de la estrella puede interactuar con el agujero negro, revelando su presencia. 

La visualización anterior muestra varios de estos sistemas binarios que se encuentran en nuestra Vía Láctea y su galaxia vecina. con sus tamaños relativos y órbitas a escala. El video incluso muestra cada sistema inclinado de la forma en que lo vemos aquí desde nuestro punto de vista en la Tierra. Por supuesto, a medida que nuestros científicos recopilan más datos sobre estos agujeros negros, nuestra comprensión de ellos puede cambiar. 

El artículo a continuación además nos describe cinco de estos sistemas:

Comprendiendo los ecos de luz

Ilustración de un eco de luz

Crédito: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

El siguiente artículo brinda una explicación clara de qué es un eco de luz utilizando la ilustración anterior:

Ver también:

Artículo destacado

‘Ecos’ del otro lado de un agujero negro

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

El artículo brinda una explicación de cómo fue posible ver el lado oculto a nosotros del disco de acreción entorno al agujero negro supermasivo en la galaxia  I Zwicky 1 (I Zw 1) gracias a los ecos de luz en rayos X y a la deformación del espacio -tiempo.

Curiosidades

Ecos de una Supernova (Video)

Cassiopeia A – Ecos de una Supernova

Es la supernova del siglo XVII que nadie vio, pero los telescopios en el espacio y en la Tierra se han unido para mirar hacia atrás en el tiempo y estudiarla hoy!

Un destello de supernova que hace eco a través de las nubes de polvo circundantes ha dado a los astrónomos una máquina del tiempo virtual para estudiar la luz de la explosión que nadie vio. Este es el Universo Oculto del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, explorando los misterios de la astronomía infrarroja con su anfitrión, el Dr. Robert Hurt.

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