Los rayos X detectan agujeros negros giratorios en el mar cósmico.

Cuásares de lentes gravitacionales.

Imágenes de rayos X de los quásares. Los astrónomos han usado a Chandra para medir el giro de cinco cuásares, cada uno de los cuales consiste en un agujero negro supermasivo que consume rápidamente la materia de un disco de acreción circundante. La lente gravitacional de la luz de cada uno de estos agujeros negros por parte de una galaxia interventora ha creado múltiples imágenes de cada cuásar, como lo muestran estas imágenes de Chandra de cuatro de los objetivos. Más del 70% de la velocidad de la luz. Crédito: NASA / CXC / Univ. de Oklahoma / X. Dai et al.

Al igual que los remolinos en el océano, los agujeros negros que giran en el espacio crean un torrente giratorio a su alrededor. Sin embargo, los agujeros negros no crean remolinos de viento o agua. Más bien, generan discos de gas y polvo calentados a cientos de millones de grados que brillan en la luz de rayos X.

Utilizando datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y alineaciones aleatorias a lo largo de miles de millones de años luz, los astrónomos han desplegado una nueva técnica para medir el giro de cinco agujeros negros supermasivos. La materia en uno de estos vórtices cósmicos está girando alrededor de su agujero negro a más del 70% de la velocidad de la luz.

Los astrónomos aprovecharon un fenómeno natural llamado lente gravitacional. Con la alineación correcta, la flexión del espacio-tiempo por un objeto masivo, como una gran galaxia, puede magnificar y producir múltiples imágenes de un objeto distante, como predijo Einstein.

En esta última investigación, los astrónomos usaron Chandra y lentes gravitacionales para estudiar cinco cuásares, cada uno de los cuales consiste en un agujero negro supermasivo que consume rápidamente la materia de un disco de acreción circundante. La lente gravitacional de la luz de cada uno de estos quásares por una galaxia interventora ha creado múltiples imágenes de cada cuásar, como lo muestran estas imágenes de Chandra de cuatro de los objetivos. La capacidad de imagen nítida de Chandra es necesaria para separar las imágenes múltiples y con lentes de cada cuásar.

El avance clave hecho por los investigadores en este estudio fue que aprovecharon la "microlente", donde las estrellas individuales en la galaxia interviniente y de lentes proporcionaron un aumento adicional de la luz del cuásar. Un aumento mayor significa que una región más pequeña está produciendo la emisión de rayos X.

Luego, los investigadores utilizaron la propiedad de que un agujero negro giratorio está arrastrando el espacio y permite que la materia orbite más cerca del agujero negro de lo que es posible para un agujero negro que no gira. Por lo tanto, una región emisora ​​más pequeña que corresponde a una órbita estrecha generalmente implica un agujero negro que gira más rápidamente. Los autores concluyeron a partir de su análisis de microlentes que los rayos X provienen de una región tan pequeña que los agujeros negros deben girar rápidamente.

Los resultados mostraron que uno de los agujeros negros, en el cuásar de lentes llamado "Cruz de Einstein" (etiquetado como Q2237 en la imagen de arriba) está girando a la velocidad máxima posible, o casi a esa velocidad. Esto corresponde al horizonte de eventos, el punto de no retorno del agujero negro, girando a la velocidad de la luz, que es de aproximadamente 670 millones de millas por hora. Otros cuatro agujeros negros en la muestra giran, en promedio, a aproximadamente la mitad de esta tasa máxima.

Imagen de autor del telescopio espacial de rayos X Chandra de la NASA.

Para la cruz de Einstein, la emisión de rayos X es de una parte del disco que tiene menos de aproximadamente 2,5 veces el tamaño del horizonte de eventos, y para los otros 4 cuásares, los rayos X provienen de una región de cuatro a cinco veces mayor del horizonte de eventos.

¿Cómo pueden estos agujeros negros girar tan rápido? Los investigadores creen que estos agujeros negros supermasivos probablemente crecieron al acumular la mayor parte de su material a lo largo de miles de millones de años desde un disco de acreción que gira con una orientación y dirección de giro similares, en lugar de direcciones aleatorias. Como un tiovivo que sigue siendo empujado en la misma dirección, los agujeros negros siguieron cobrando velocidad.

Los rayos X detectados por Chandra se producen cuando el disco de acreción que rodea el agujero negro crea una nube multimillonaria, o una corona sobre el disco cerca del agujero negro. Los rayos X de esta corona se reflejan en el borde interno del disco de acreción, y las fuertes fuerzas gravitacionales cerca del agujero negro distorsionan el espectro de rayos X reflejado, es decir, la cantidad de rayos X observada a diferentes energías. Las grandes distorsiones observadas en los espectros de rayos X de los cuásares estudiados aquí implican que el borde interior del disco debe estar cerca de los agujeros negros, lo que proporciona evidencia adicional de que deben estar girando rápidamente.

Los cuásares están ubicados a distancias que van desde 9.800 millones a 10.900 millones de años luz de la Tierra, y los agujeros negros tienen masas entre 160 y 500 millones de veces más que la del sol. Estas observaciones fueron las más largas jamás realizadas con Chandra de los cuásares de lentes gravitacionales, con tiempos de exposición totales que oscilan entre 1,7 y 5,4 días.

Un artículo que describe estos resultados se publica en la edición del 2 de julio de The Astrophysical Journal y está disponible en línea. Los autores son Xinyu Dai, Shaun Steele y Eduardo Guerras de la Universidad de Oklahoma en Norman, Oklahoma, Christopher Morgan de la Academia Naval de los Estados Unidos en Annapolis, Maryland, y Bin Chen de la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee, Florida.

El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico Smithsoniano en Cambridge, Massachusetts, controla la ciencia y las operaciones de vuelo de Chandra.

Créditos: NASA/CXC/Univ. of Oklahoma/X. Dai et al.

• Publicado en Chandra el 3 de julio del 2.019, enlace publicación.