Un agujero negro expulsa una potente llamarada.

Agujeros negros supermasivos, discos de acreción y llamaradas.
Imagen del autor de un agujero negro supermasivo rodeado de un disco de acreción que gira en torno a el expulsando una llamarada. Crédito: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (IPAC).

Un agujero negro supermasivo se representa en el concepto de este artista, rodeado por un disco giratorio de material que cae en él. La bola purpúrea de luz sobre el agujero negro, una característica llamada corona, contiene partículas altamente energéticas que generan luz de rayos X. Si realmente pudieras ver la corona, sería casi invisible ya que no podemos ver su luz de rayos X.

El lado superior izquierdo del disco parece más brillante que el lado inferior derecho debido a un efecto llamado refuerzo relativista. El material que se arremolina alrededor del disco viaja a la mitad de la velocidad de la luz, y cuando se trata de nosotros, la luz del disco aumenta, o se ilumina. El efecto opuesto, un oscurecimiento de la luz, ocurre en el otro lado del disco que se aleja de nosotros.

Otra forma de aumento relativista ocurre cuando la corona se dispara lejos del agujero negro, y luego colapsa. Su luz de rayos X también se ilumina cuando la corona viaja hacia nosotros a velocidades muy rápidas, lo que genera llamaradas de rayos X.

La inmensa gravedad del agujero negro deforma la apariencia del disco y las estrellas detrás de él.

En 2014, el Telescopio Espectroscópico Nuclear de la NASA, o NuSTAR, y los telescopios espaciales Swift presenciaron un destello de rayos X del agujero negro supermasivo en una galaxia distante llamada Markarian 335. Las observaciones permitieron a los astrónomos vincular una corona cambiante con un destello de rayos X para la primera vez.

Un agujero negro que lanza una gran llamarada, Marakarian 335.
Los desconcertantes y extraños comportamientos de los agujeros negros se han vuelto algo menos misteriosos recientemente, con nuevas observaciones de las misiones Explorer de la NASA Swift y el Telescopio de Matriz Espectroscópico Nuclear, o NuSTAR. Los dos telescopios espaciales capturaron un agujero negro supermasivo en medio de una gigantesca erupción de luz de rayos X, lo que ayudó a los astrónomos a resolver un rompecabezas en curso: ¿Cómo se disparan los agujeros negros supermasivos?

Los resultados sugieren que los agujeros negros supermasivos emiten haces de rayos X cuando las coronas circundantes (fuentes de partículas extremadamente energéticas) disparan o se lanzan lejos de los agujeros negros.

"Esta es la primera vez que hemos podido vincular el lanzamiento de la corona a una llamarada", dijo Dan Wilkins de la Universidad de Saint Mary en Halifax, Canadá, autor principal de un nuevo documento sobre los resultados que aparecen en los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. "Esto nos ayudará a comprender cómo los agujeros negros supermasivos potencian algunos de los objetos más brillantes del universo".

Los agujeros negros supermasivos no emiten luz por sí mismos, pero a menudo están rodeados por discos de material caliente y brillante. La gravedad de un agujero negro tira de gas arremolinándose en él, calentando este material y haciendo que brille con diferentes tipos de luz. Otra fuente de radiación cerca de un agujero negro es la corona. Las coronas están formadas por partículas altamente energéticas que generan luz de rayos X, pero no están claros los detalles sobre su apariencia y cómo se forman.

La anatomía de un destello de agujero negro. Este diagrama muestra cómo una función de desplazamiento, llamada corona, puede crear una llamarada de rayos X alrededor de un agujero negro. La corona (característica representada en colores purpúreos) se reúne hacia adentro (izquierda), haciéndose más brillante, antes de dispararse lejos del agujero negro (centro y derecha). Los astrónomos no saben por qué las coronas cambian, pero han aprendido que este proceso conduce a un brillo de la luz de rayos X que se puede observar con telescopios. Normalmente, antes de que cambie la corona de un agujero negro, ya hay un efecto en el trabajo llamado refuerzo relativista. A medida que la luz de rayos X de la corona se refleja en el disco de material circundante del agujero negro, que viaja cerca de la mitad de la velocidad de la luz, la luz de rayos X se ilumina, como se ve en el lado izquierdo de la ilustración. Este refuerzo ocurre en el lado del disco donde el material viaja hacia nosotros. El efecto opuesto, un oscurecimiento de la luz de rayos X, ocurre en el otro lado del disco que se aleja de nosotros. Otra forma de aumento relativista ocurre cuando la corona se dispara lejos del agujero negro, y luego colapsa. Su luz de rayos X también se ilumina, a medida que la corona se desplaza hacia nosotros, lo que lleva a llamaradas de rayos X. La inmensa gravedad del agujero negro deforma la apariencia del disco y las estrellas detrás de él. En 2014, el Telescopio Espectroscópico Nuclear de la NASA, o NuSTAR, y los telescopios espaciales Swift presenciaron un destello X del agujero negro supermasivo en una galaxia distante llamada Markarian 335. Las observaciones permitieron a los astrónomos vincular una corona cambiante con un destello de rayos X para la primera vez. Crédito: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (IPAC)

Los astrónomos piensan que las coronas tienen una de las dos configuraciones posibles. El modelo de "farola" dice que son fuentes compactas de luz, similares a las bombillas, que se encuentran encima y debajo del agujero negro, a lo largo de su eje de rotación. El otro modelo propone que las coronas se extienden más difusamente, ya sea como una nube más grande alrededor del agujero negro, o como un "sándwich" que envuelve el disco de material circundante como rebanadas de pan. De hecho, es posible que las coronas cambien entre las configuraciones de la farola y el sándwich.

Los nuevos datos apoyan el modelo de "farola" y demuestran, en el detalle más fino hasta el momento, cómo se mueven las coronas tipo bombilla. Las observaciones comenzaron cuando Swift, que monitorea el cielo en busca de explosiones cósmicas de rayos X y rayos gamma, captó una gran llamarada proveniente del agujero negro supermasivo llamado Markarian 335, o Mrk 335, ubicado a 324 millones de años luz de distancia en la dirección de la constelación de Pegaso. Este agujero negro supermasivo, que se encuentra en el centro de una galaxia, una vez fue una de las fuentes de rayos X más brillantes en el cielo.

"Algo muy extraño sucedió en 2007, cuando Mrk 335 se desvaneció por un factor de 30. Lo que hemos encontrado es que sigue estallando en bengalas, pero no ha alcanzado los niveles de brillo y estabilidad vistos anteriormente", dijo Luigi Gallo, el investigador principal. para el proyecto en la Universidad de Saint Mary. Otro coautor, Dirk Grupe de Morehead State University en Kentucky, ha estado utilizando Swift para monitorear regularmente el agujero negro desde 2007.

Observatorio de rayos X NuSTAR de la NASA.
Crédito: NASA/JPL-Caltech.



En septiembre de 2014, Swift atrapó Mrk 335 en una llamarada enorme. Una vez que Gallo se enteró, envió una solicitud al equipo de NuSTAR para realizar un seguimiento rápido del objeto como parte de un programa de "objetivo de oportunidad", donde el calendario de observación planeado previamente del observatorio se interrumpe para eventos importantes. Ocho días después, NuSTAR estableció sus ojos de rayos X sobre el objetivo, siendo testigo de la mitad final del evento de la llamarada. Después de un cuidadoso escrutinio de los datos, los astrónomos se dieron cuenta de que estaban viendo la eyección y eventual colapso de la corona del agujero negro.

"La corona se concentró al principio y luego se lanzó hacia arriba como un avión a reacción", dijo Wilkins. "Todavía no sabemos cómo se forman los chorros en los agujeros negros, pero es una posibilidad emocionante que la corona de este agujero negro comenzara a formar la base de un jet antes de que colapsara".

¿Cómo podrían los investigadores decir que la corona se movió? La corona emite luz de rayos X que tiene un espectro ligeramente diferente, "colores" de rayos X, que la luz que proviene del disco alrededor del agujero negro. Al analizar un espectro de luz de rayos X de Mrk 335 a través de un rango de longitudes de onda observadas por Swift y NuSTAR, los investigadores podrían decir que la luz de rayos X de la corona se había iluminado, y que este brillo se debía al movimiento de la corona.

Las coronas puede moverse muy rápido. La corona asociada con Mrk 335, según los científicos, viajaba a aproximadamente el 20 por ciento de la velocidad de la luz. Cuando esto sucede, y la corona se lanza en nuestra dirección, su luz se ilumina con un efecto llamado aumento Doppler relativista. Al unir todo esto, los resultados muestran que la llamarada de rayos X de este agujero negro fue causada por la corona expulsada.

"La naturaleza de la fuente energética de rayos X que llamamos corona es misteriosa, pero ahora con la capacidad de ver cambios dramáticos como este, estamos obteniendo pistas sobre su tamaño y estructura", dijo Fiona Harrison, investigadora principal de NuSTAR en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, que no estaba afiliado al estudio.

Muchos otros acertijos del agujero negro permanecen. Por ejemplo, los astrónomos quieren entender qué causa la eyección de la corona en primer lugar.

NuSTAR es una misión de Explorador Pequeño dirigida por Caltech y administrada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, para el Directorio de Misiones Científicas de la NASA en Washington. NuSTAR fue desarrollado en asociación con la Universidad Técnica Danesa y la Agencia Espacial Italiana (ASI). La nave espacial fue construida por Orbital Sciences Corp., Dulles, Virginia. El centro de operaciones de misión de NuSTAR está en UC Berkeley, y el archivo de datos oficial está en el Centro de Investigación de Archivo de Ciencia de Astrofísica de Alta Energía de la NASA. ASI proporciona la estación terrestre de la misión y un archivo espejo. JPL es administrado por Caltech para la NASA.

• Publicado en NuSTAR el 25 de diciembre del 2.015.

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