Los Ecos de Luz de agujeros negros de masa estelar.

La misión NICER de la NASA capta ‘Ecos de Luz’ de Nuevos Agujeros Negros.

En esta ilustración de un agujero negro recién descubierto llamado MAXI J1820 + 070, un agujero negro saca el material de una estrella vecina y lo coloca en un disco de acreción. Sobre el disco hay una región de partículas subatómicas llamada corona. Crédito: Aurore Simonnet y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

Los científicos han trazado el entorno que rodea a un agujero negro de masa estelar que es 10 veces la masa del Sol utilizando la carga útil del Explorador de Composición Interior de Estrella de Neutrones de la NASA (NICER) a bordo de la Estación Espacial Internacional, ISS. NICER detectó la luz de rayos X del agujero negro recientemente descubierto, llamado MAXI J1820 + 070 (J1820 para abreviar), ya que consumía material de una estrella compañera. Las ondas de los 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 ambiente.

"NICER nos ha permitido medir ecos de luz más cercanos que nunca a un agujero negro de masa estelar", dijo Erin Kara, astrofísica de la Universidad de Maryland, College Park y Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, quien presentó el hallazgos en la 233 reunión de la American Astronomical Society en Seattle. “Anteriormente, estos ecos de luz provenientes del disco de acreción interno solo se veían en los agujeros negros supermasivos, que son de millones a miles de millones de masas solares y sufren cambios lentamente. "Los agujeros negros estelares como J1820 tienen masas mucho más bajas y evolucionan mucho más rápido, por lo que podemos ver los cambios en las escalas de tiempo humano".

Un documento que describe los hallazgos, dirigido por Kara, apareció en la edición del 10 de enero de Nature y está disponible en línea.

El instrumento NICER instalado en la Estación Espacial Internacional,
capturado por una cámara externa de alta definición el 22 de octubre de 2018.
Créditos: NASA.

J1820 se encuentra a unos 10.000 años luz de distancia hacia la constelación Leo. La estrella compañera en el sistema fue identificada en una encuesta realizada por la misión Gaia de la ESA (Agencia Espacial Europea), que permitió a los investigadores estimar su distancia. Los astrónomos desconocían la presencia del agujero negro hasta el 11 de marzo de 2018, cuando se detectó un estallido en el Monitor de la imagen de rayos X de todo el cielo (MAXI) de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, también a bordo de la estación espacial. El J1820 pasó de un agujero negro totalmente desconocido a una de las fuentes más brillantes en el cielo de rayos X en unos pocos días. NICER se movió rápidamente para capturar esta dramática transición y continúa siguiendo la cola desvanecida de la erupción.

"NICER fue diseñado para ser lo suficientemente sensible como para estudiar objetos débiles e increíblemente densos llamados estrellas de neutrones", dijo Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER en Goddard y coautor del artículo. "Nos complace lo útil que se ha demostrado en el estudio de estos agujeros negros de masa estelar muy brillantes con rayos X".

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

NICER mapea el área alrededor de un agujero negro.

Observe cómo los ecos de rayos X, mapeados por el Explorador de Composición Interior (NICER) de la estrella Neutron de la NASA, revelaron cambios en la corona del agujero negro MAXI J1820 + 070. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.

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.

Los astrofísicos quieren comprender mejor cómo el borde interior del disco de acreción y la corona sobre él 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.

GIF animado que muestra ondas de rayos X de la corona haciendo eco en el disco
de acreción como el sonar que usamos para explorar el fondo del océano. Estos ecos
nos dicen sobre el tamaño y la forma del disco y la corona.
Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA.

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 y está más cerca del agujero negro que de gran parte del disco de acreción. Sin embargo, las observaciones previas de los ecos de rayos X de los agujeros negros estelares sugirieron que el borde interno del disco de acreción podría ser bastante distante, hasta cientos de veces el tamaño del horizonte de eventos. El J1820 de masa estelar, sin embargo, se comportó más como sus primos supermasivos.

Mientras examinaban las observaciones de NICER de J1820, el equipo de Kara observó una disminución en la demora, o tiempo de demora, entre el destello inicial de rayos X que provenía directamente de la corona y el eco del destello del disco, lo que indica que los rayos X viajaron más cortos Y distancias más cortas antes de que se reflejaran. A 10.000 años luz de distancia, estimaron que la corona se contrajo verticalmente de aproximadamente 100 a 10 millas, es como ver que algo del tamaño de un arándano se reduzca a algo del tamaño de una semilla de amapola a la distancia de Plutón.

"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 de la explosión", dijo el coautor Jack Steiner, astrofísico del Instituto Kavli de investigación de Astrofísica y Espacio del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. “La corona todavía es bastante misteriosa, y todavía tenemos una comprensión de qué es. Pero ahora tenemos evidencia de que lo que está evolucionando en el sistema es la estructura de la corona en sí misma ".

La Estación Espacial Internacional fotografiada por tripulantes de la Expedición 56
 desde una nave espacial Soyuz después de desacoplarla. Los astronautas de la
NASA Andrew Feustel y Ricky Arnold y el cosmonauta de Roscosmos, Oleg Artemyev,
ejecutaron un vuelo alrededor del laboratorio orbital para tomar fotografías de la
estación antes de regresar a casa después de pasar 197 días en el espacio. La estación
celebrará el vigésimo aniversario del lanzamiento del primer elemento Zarya en
noviembre de 2018.  Crédito: NASA / Roscosmos.
Última actualización: 30 de octubre de 2018. Editor: Mark Garcia.

Para confirmar que el tiempo de demora disminuido se debió a un cambio en la corona y no en el disco, los investigadores utilizaron una señal llamada línea K de hierro creada cuando los rayos X de la corona chocan con los átomos de hierro en el disco, lo que provoca su fluorescencia. El tiempo transcurre más lento en campos gravitatorios más fuertes y a velocidades más altas, como se afirma en la teoría de la relatividad de Einstein. Cuando los átomos de hierro más cercanos al agujero negro son bombardeados por la luz del núcleo de la corona, las longitudes de onda de los rayos X que emiten se estiran porque el tiempo se mueve más lento para ellos que para el observador (en este caso, NICER).

El equipo de Kara descubrió que la línea K de hierro estirado del J1820 se mantuvo constante, lo que significa que el borde interior del disco se mantuvo cerca del agujero negro, similar a un agujero negro supermasivo. Si la reducción del tiempo de demora se debió a que el borde interno del disco se movió aún más hacia adentro, entonces la línea de hierro K se habría estirado aún más.

Estas observaciones brindan a los científicos nuevos conocimientos sobre cómo los embudos de material en el agujero negro y cómo se libera la energía en este proceso.

"Las observaciones de NICER del J1820 nos han enseñado algo nuevo sobre los agujeros negros de masa estelar y sobre cómo podríamos usarlos como análogos para estudiar los agujeros negros supermasivos y sus efectos en la formación de galaxias", dijo el coautor Philip Uttley, astrofísico de 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 ".

NICER es una Misión de Oportunidad de Astrofísica dentro del programa Explorer de la NASA, que brinda frecuentes oportunidades de vuelo para investigaciones científicas de clase mundial desde el espacio utilizando enfoques de administración innovadores, racionalizados y eficientes dentro de las áreas de heliofísica y astrofísica. La Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA apoya el componente SEXTANTE de la misión, demostrando la navegación de naves espaciales basadas en púlsares.

Por Jeanette Kazmierczak

El Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, Greenbelt, Md.

Última actualización, 30 de enero de 2019, enlace publicación.

Editor: Rob Garner