Cartografían la región alrededor del horizonte de sucesos de un agujero negro

Con una técnica similar a la ecolocalización, un equipo de astrónomos ha creado un mapa de la región circundante del horizonte de sucesos de un agujero negro lejano con un detalle sin precedentes.

Tuesday, January 21, 2020,
Por Nadia Drake
Agujero negro supermasivo
En esta ilustración, un disco de acreción denso se arremolina alrededor de las fauces de un agujero negro supermasivo. Las emisiones de ondas de rayos X del disco generan «ecos» que los expertos pueden utilizar para cartografiar su estructura interna más allá de lo que cualquier telescopio puede observar de forma directa.
Fotografía de NASA/Swift/Aurore Simonnet, Sonoma State Univ.

El año pasado, tras un gran esfuerzo que dejó al mundo boquiabierto, un equipo de científicos desveló la primera imagen directa de un agujero negro, lo que permitió a los humanos ver qué hay al borde de las fauces de este monstruo. Ahora, los astrónomos han empleado una técnica diferente con «ecos» de rayos X para observar más de cerca uno de estos gigantes.

El agujero negro se encuentra en medio de la galaxia IRAS 13224-3809, a aproximadamente mil millones de años luz. Este objeto supermasivo está rodeado de un disco de materia a millones de grados y revestido de una corona de rayos X con una temperatura que supera los mil millones de grados. Cartografiando el comportamiento de dichos rayos X, los científicos han creado un mapa muy detallado de la región circundante del horizonte de sucesos del agujero negro, la zona a partir de la cual no puede escapar la luz.

Agujeros negros 101
En el centro de nuestra galaxia hay un agujero negro supermasivo. Descubre qué tipos de agujeros negros existen, cómo se forman y cómo se descubrieron estos objetos extraordinarios en el universo.

«Los agujeros negros no emiten luz, así que la única forma de estudiarlos es observando qué hace la materia al caer en ellos», afirma William Alston, de la Universidad de Cambridge, cuyo equipo ha informado de las observaciones en la revista Nature Astronomy.

Es una medición mucho más precisa que la que podría conseguir el Telescopio del Horizonte de Sucesos —que produjo la imagen del agujero negro del año pasado— de un objeto tan distante. Con las nuevas mediciones del agujero negro de IRAS 13224-3809, los científicos han podido determinar su masa y su espín, propiedades que pueden revelar pistas fundamentales sobre la evolución del agujero negro. Si pueden tomarse mediciones similares para una población mayor de agujeros negros supermasivos cercanos, estas podrían aportar a los astrónomos información sobre el crecimiento de las galaxias.

«Comprender la distribución del espín de los agujeros negros en muchas galaxias nos desvela cómo pasamos del universo primitivo a la población observada hoy en día», afirma Alston.

Ecocartografía

Pese a su nombre anodino, IRAS 13224-3809 es una de las galaxias más interesantes en el cielo de rayos X: es una galaxia activa, es decir, que su región central emite un brillo más intenso del que podrían explicar solo las estrellas y su brillo en rayos X fluctúa por un factor de 50, a veces en cuestión de horas. Alston y sus colegas decidieron estudiar esta galaxia en particular porque querían una fuente dinámica y variable a partir de la que concretar propiedades específicas del agujero negro supermasivo central.

Para hacerlo, Alston y sus colegas estudiaron IRAS 13224-3809 con el observatorio espacial XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea. XMM-Newton, un telescopio que orbita la Tierra y estudia el cosmos en rayos X, observó la galaxia lejana en el transcurso de 16 órbitas —un total de más de 550 horas— entre 2011 y 2016.

A partir de todas esas horas de datos, Alston y sus colegas elaboraron un mapa de la corona de rayos X y el disco de acreción del agujero negro supermasivo. Este último es un disco de materia arremolinada que se encuentra junto al límite del horizonte de sucesos. Algunos de los rayos X emitidos salen directamente hacia el cosmos, pero otros chocan en el disco de acreción y tardan un poco más en salir del entorno inmediato del agujero negro.

«La mayor longitud del recorrido causa un retardo entre los rayos X producidos originalmente en la corona», explica Alston. «Podemos medir el eco —dicho retardo—, que llamamos reverberación».

Los científicos pudieron investigar el material gaseoso alrededor del agujero negro gracias a esta técnica, denominada mapeo de reverberación. Alston compara el proceso con la ecolocalización, una técnica empleada por animales como los murciélagos, que emiten sonidos que rebotan en los objetos para poder orientarse mientras vuelan. A diferencia del proceso empleado por el Telescopio del Horizonte de Sucesos para obtener la imagen de un agujero negro, el mapeo de reverberación puede utilizarse para estudiar objetos muy lejanos e investigar regiones que están aún más cerca del horizonte de sucesos.

«El mapeo de reverberación no depende de la resolución espacial. Utiliza ecos de luz dentro del objeto para determinar las estructuras, incluso las que son muy pequeñas y lejanas», explica Misty Bentz, de la Universidad del Estado de Georgia, que emplea la misma técnica para estudiar agujeros negros lejanos.

El Telescopio del Horizonte de Sucesos —un conjunto planetario de radiotelescopios terrestres— desveló la primera imagen de un agujero negro supermasivo y su sombra en 2019. La imagen revela el agujero negro central de Messier 87, una galaxia enorme en el cúmulo de Virgo.
Fotografía de COLABORACIÓN DEL TELESCOPIO DEL HORIZONTE DE SUCESOS

Un espín impresionante

Los ecos de luz captados en la galaxia IRAS 13224-3809 permitieron a Alston y su equipo determinar la geometría exacta del material circundante del agujero negro, incluidas las dimensiones de su dinámica corona de rayos X, que potencia dichos ecos. Con esa información, el equipo calculó la masa y el espín del agujero negro, dos propiedades que no fluctúan en escalas temporales humanas.

«Para medir la masa y el espín del agujero negro necesitamos saber exactamente dónde se encuentra este gas antes de que caiga en el agujero negro», afirma Alston. Esta técnica ya se había utilizado para estudiar agujeros negros supermasivos, pero dichas observaciones no habían sido tan prolongadas ni la fuente tan variable como en el caso de IRAS 13224-3809.

Basándose en los nuevos mapas, el equipo concluyó que este agujero negro supermasivo contiene la misma masa que dos millones de soles y que rota a casi la velocidad máxima a la que puede sin romper las leyes de la física. Bentz, que no participó en el trabajo, afirma que los resultados son muy convincentes gracias a las observaciones prolongadas de los autores.

«Los autores llevaron a cabo el mismo experimento 16 veces, mucho más que cualquier estudio anterior. Eso ayudó a determinar qué piezas no cambiaban», afirma Bentz.

Alston y su equipo también ensamblaron una imagen dinámica de cómo cambia con el paso del tiempo la corona de rayos X que envuelve el agujero negro, cuyo tamaño varía drásticamente en el transcurso de un día.

Semillas galácticas

Es probable que todas las grandes galaxias del universo tengan en su núcleo un agujero negro supermasivo central. Descifrar las piruetas de estos objetos supermasivos podría aportar pistas sobre la formación y la evolución de los agujeros negros y sus galaxias durante la evolución del universo.

«Una de las incógnitas es cómo se forman los agujeros negros supermasivos», afirma Alston. «¿Cuáles fueron sus semillas en el universo primitivo? Actualmente, la mayoría de nuestros modelos predicen semillas demasiado pequeñas que no pueden crecer lo bastante rápido».

Un posible método de formación de galaxias consiste la colisión y fusión de varias galaxias pequeñas. Cuando estas galaxias se fusionan, también lo hacen sus agujeros negros. Alston indica que si dichas colisiones son caóticas, no solo podrían contribuir a la mayor masa resultante del agujero negro, sino también afectar a su rotación.

Otra forma en que podrían crecer los agujeros negros es mediante un flujo continuo de gas. En ese caso, el espín resultante podría ser más rápido, como parece ser el caso de IRAS 13224-3809, aunque Alston afirma que es demasiado pronto para concluir que esta galaxia concreta acumulara masa mediante este mecanismo.

Alston y sus colegas quieren emplear el mapeo de reverberación para determinar los espines —y por consiguiente las historias de formación— de cientos de agujeros negros supermasivos cercanos, lo que en la práctica sería como elaborar un censo de estos objetos. Más adelante, basándose en la distancia de dichos agujeros negros, los científicos podrán analizar el crecimiento de las galaxias con la evolución del universo.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.

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