El Telescopio William Herschel de La Palma y el nuSTAR miden el chorro de un agujero negro.

V404 Cygni.

Agujero negro con disco de acreción y chorro de partículas.

El concepto de este artista muestra un agujero negro con un disco de acreción, una estructura plana de material que orbita el agujero negro, y un chorro de gas caliente, llamado plasma.

Usando el telescopio espacial NuSTAR de la NASA y una cámara rápida llamada ULTRACAM en el Observatorio William Herschel en La Palma, España, los científicos han podido medir la distancia que las partículas en los aviones viajan antes de "encenderse" y convertirse en fuentes brillantes de luz. Esta distancia se llama "zona de aceleración".

NuSTAR es una misión de Explorador Pequeño dirigida por Caltech y administrada por el JPL para la Dirección de Misión Científica 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. Caltech maneja el JPL para la NASA.

Crédito:

NASA/JPL-Caltech

Investigadores del IAC participan en un trabajo publicado hoy en Nature Astronomy, en el que han medido el retraso producido entre los rayos X y la luz visible de un chorro expulsado por un agujero negro. Las observaciones, realizadas desde el Observatorio del Roque de los Muchachos y con un satélite de la NASA, ayudan a esclarecer la naturaleza de su formación

Se supone que nada puede escapar de un agujero negro y, sin embargo, mientras crecen al “absorber” material de una estrella cercana, salen expulsados de sus proximidades jets o chorros de energía súper energéticos. Sigue siendo un misterio cómo se forman estos chorros, pero se sabe que son una sopa caliente de plasma que alcanza velocidades relativistas, es decir, próximas a la de la luz. Durante ese proceso, el plasma se va calentando y comienza a brillar, dando lugar a dos columnas luminosas a lo largo del eje de rotación del agujero negro y cuya formación ha sido objeto de un largo debate entre la comunidad científica.

El Observatorio William Herschel de la Palma, WHT.

En un trabajo publicado hoy en Nature Astronomy, y que cuenta con participación del IAC, se dan a conocer nuevas pistas de esta incógnita al observar uno de los agujeros negros más famosos de la Vía Láctea, V404 Cygni, mientras sufría uno de esas fases brillantes de crecimiento en junio de 2015. Para ello utilizaron dos instrumentos: ULTRACAM, una cámara de alta velocidad instalada en el Telescopio William Herschel (WHT), del Grupo de Telescopios ING, ubicado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma); y NuSTAR, un telescopio espacial de la NASA orbitando la Tierra. Combinando ambas observaciones hallaron un retraso de 100 milisegundos (0,1 segundos) entre los rayos X y los destellos de luz visible.

V404 Cygni es un agujero negro que pesa aproximadamente nueves veces la masa del Sol, orbitado por una estrella compañera que le suministra material para alimentarse. Durante la acreción, la “absorción” de material de la estrella, el gas que cae hacia el interior del agujero negro en forma de espiral emite rayos X, detectados por NuSTAR, y los flashes ópticos emergen del plasma que fluye en los chorros.

“El retardo entre ambos tipos de luz nos informa del tamaño del chorro interior donde el plasma se acelera”, explica Poshak Gandhi, primer autor del estudio e investigador de la Universidad de Southampton (Reino Unido). “La naturaleza de los destellos ópticos se ha cuestionado durante mucho tiempo, pero V404 Cygni ha mostrado la presencia de destellos retrasados mientras los jets se hacían más energéticos. Esto significa que se originan en esos jets”.

Conociendo el desfase temporal entre los rayos X y la luz visible, pudieron calcular la distancia máxima que el plasma puede haber recorrido, equivalente a unos 30.000 km. Esta longitud representa la zona de aceleración interna del chorro. Más allá de esa región, los chorros son muy brillantes, debido posiblemente a la colisión interna de regiones del plasma que se mueven a gran velocidad.

Representación artística de un jet expulsado de V404 Cygni. Crédito: Gabriel Pérez, SMM (IAC).

"Analizar estas zonas interiores en los jets es emocionante porque nos permite restringir las teorías sobre la aceleración extrema de partículas en la naturaleza", apunta Gandhi. "Para explicar la emisión de chorros  de plasma, se han propuesto los fuertes campos magnéticos, pero aún quedan muchas incertidumbres al unir la teoría con las observaciones, que ayudarán sin duda en este sentido". Los resultados de este descubrimiento son, además, doblemente interesantes ya que se espera que los agujeros negros supermasivos se comporten de forma similar a V404 Cygni.

Phil Charles, profesor emérito de la Universidad de Southampton y Oxford, explica que “la existencia de agujeros negros en nuestra galaxia se confirmó hace 25 años cuando se midió un objeto compacto cuya masa, seis veces la del Sol, descartaba la posibilidad de que fuera un estrella de neutrones. Era V404 Cygni y con él comenzó el campo de los agujeros negros estelares”. Como en esta ocasión, la mayoría de las observaciones terrestres se hicieron con el WHT. En ese hallazgo y el actual también participa otro de los descubridores del primer agujero negro de la Vía Láctea, el investigador del IAC Jorge Casares, quien se ha dedicado a la búsqueda de estos objetos con el WHT y otros telescopios ópticos durante estos años. “Que ahora podamos aunar la física de los chorros de agujeros negros estelares y supermasivos es muy satisfactorio”, subraya este científico.

Para hacer las medidas se han necesitado varios telescopios que trabajan conjuntamente en todo el espectro electromagnético. “Es una tarea difícil de realizar con telescopios desde la Tierra. Solo hay un puñado de observaciones como estas que puedan estudiar el comportamiento de agujeros negros en alta resolución temporal  a lo largo de todo el espectro. Este es el comienzo de otros estudios que seguro se harán en el futuro”, concluye Jorge Casares.

Artículo: “An elevation of 0.1 light seconds for the optical jet base in an accreting Galactic black hole system”, por P. Gandhi et al. Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-017-0273-3. Astro-ph, Nature Astronomy.

Publicado en el Instituto de Astrofísica de Canarias, IAC, el 30 de octubre del 2.017.
Más información en nuSTAR, en inglés.