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Astrónomos observan ecos de rayos X de un agujero negro de masa estelar


Utilizando el Explorador de Composiciones Interiores de Estrellas de Neutrones (NICER) de la NASA, los astrónomos han detectado rayos X en un agujero negro de masa estelar llamado MAXI J1820 + 070 cuando consumían material de una estrella compañera; Las ondas de 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 del agujero negro.

En la ilustración sobre la parte superior, MAXI J1820 + 070 saca material de una estrella vecina y lo coloca en un disco de acreción; por encima del disco hay una región de partículas subatómicas llamada corona.

Efectos de un agujero negro
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, lo que lo hace lo suficientemente caliente como para producir rayos X en las partes internas del disco, cerca del agujero negro.

Las explosiones internas ocurren cuando una inestabilidad en el disco hace que un flujo de gas se mueva hacia adentro del agujero negro, como una avalancha. Las causas de las inestabilidades del disco son poco conocidas.

Sobre el disco se encuentra la corona, una región de partículas subatómicas de alrededor de mil millones de grados Celsius (1,8 mil millones de grados Fahrenheit) que brilla en rayos X de mayor energía.

Muchos misterios permanecen sobre el origen y la evolución de la corona. 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 cósmicos.

Los astrofísicos quieren comprender mejor cómo el borde interior del disco de acreción y la corona sobre este cambian de tamaño y forma, a medida que un agujero negro acrecienta el material de su estrella compañera. Si pueden comprender cómo y por qué ocurren estos cambios en los agujeros negros de masa estelar durante un período de semanas, los científicos podrían aclarar cómo evolucionan los agujeros negros supermasivos a lo largo de millones de años y cómo afectan a las galaxias en las que residen.

La metodología
Un método utilizado para registrar esos cambios se llama «mapeo de reverberación de rayos X», que utiliza los reflejos de rayos X de la misma manera 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, el punto de no retorno.

La corona también es compacta, está más cerca del agujero negro, en lugar de estar sobre gran parte del disco de acreción.

Sin embargo, las observaciones previas de los ecos de rayos X de los agujeros negros estelares sugerían que el borde interno del disco de acreción podría estar bastante distante, hasta cientos de veces el tamaño del horizonte de eventos.

Pero el agujero negro de masa estelar MAXI J1820 + 070, que se encuentra a unos 10.000 años luz de distancia hacia la constelación de Leo, se comporta más como sus primos supermasivos.

"NICER fue diseñado para ser lo suficientemente sensible como para estudiar objetos débiles e increíblemente densos llamados estrellas de neutrones", dijo el Dr. Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA.

"Nos complace lo útil que ha demostrado ser en el estudio de estos agujeros negros de masa estelar muy brillantes con rayos X".

El descubrimiento
Mientras examinaban las observaciones de NICER sobre este agujero negro, el Dr. Arzoumanian y sus colegas vieron una disminución notable en el tiempo de demora entre el estallido inicial de rayos X que venía directamente de la corona y el eco del estallido en el disco, lo que indica que los rayos X recorrieron distancias cada vez más cortas antes de ser reflejados.

A 10.000 años luz de distancia, estimaron que la corona se contrajo verticalmente de aproximadamente 100 a 10 millas.

"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", dijo el Dr. Jack Steiner, astrofísico del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación del Espacio del MIT.

“La corona todavía es bastante misteriosa, y todavía tenemos una comprensión vaga de lo que es. Pero ahora tenemos evidencia de que el objeto evolucionando en el sistema es la estructura de la corona en sí misma".

Conclusiones
"Las observaciones de NICER sobre el agujero negro MAXI J1820 + 070 nos han enseñado algo nuevo sobre los agujeros negros de masa estelar y sobre cómo podríamos usarlos como objetos análogos para estudiar los agujeros negros supermasivos y sus efectos en la formación de galaxias", dijo el Dr. Philip Uttley, un astrofísico en la universidad de amsterdam.

"Hemos visto cuatro eventos similares en el primer año de NICER, y es extraordinario. Se siente como si estuviéramos al borde de un gran avance en la astronomía de rayos X".

Crédito de la imagen:
Aurore Simonnet / Goddard Space Flight Center de la NASA.

Referencia del documento científico:
E. Kara et al. 2019. La corona se contrae en un agujero negro transitorio. Nature, volumen 565, páginas 198–201 (2019); doi: 10.1038 / s41586-018-0803-x

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