Historia de dos coronas: resolviendo el misterio de la baja energía o "exceso suave" de emisión de rayos X

Hay gigantes acechando en los centros de casi todas las galaxias. Un agujero negro supermasivo, con una masa de millones a miles de millones de veces la de nuestro Sol, domina el centro de todas las galaxias grandes, triturando estrellas y nubes de gas que se acercan demasiado y arrastrando los escombros hacia un disco giratorio que rodea al agujero negro. La fricción calienta el disco a altas temperaturas, lo que hace que produzca luz ultravioleta (UV) y óptica, y parte de esa luz se dispersa en rayos X por el plasma caliente que también parece endémico de estos monstruosos sistemas. Al igual que el agujero negro de 4 millones de masas solares en el centro de nuestra propia Vía Láctea, la mayoría de los agujeros negros supermasivos estarán en gran parte silenciosos y desprovistos de un disco tan caliente. Pero cuando estos agujeros negros están acumulando material de forma activa, se convierten en algunos de los objetos más luminosos del universo y se denominan "núcleos galácticos activos" o AGN.

Impresión artística de material en espiral hacia un agujero negro. La mayor parte del material se forma en un disco de acreción caliente, mientras que algo de plasma caliente forma una "corona" que emite rayos X, ilustrada aquí como una estructura vertical sobre el disco de acreción. Utilizando NuSTAR y XMM-Newton, los astrofísicos están estudiando la misteriosa emisión de rayos X suave o de baja energía que se ve desde muchos agujeros negros, que puede estar relacionada con una segunda corona. Crédito de la imagen: ESA

El espectro de luz que nos llega proviene de los picos calientes del disco de acreción en los rayos ultravioleta. Nos referimos a esto como la emisión “térmica”, y es la versión más caliente de cómo las personas, relativamente frías para un astrónomo, brillan en luz infrarroja y las bombillas incandescentes, ligeramente más cálidas, brillan en luz visible. Además, la potente emisión "no térmica" es producida por los fotones UV que chocan con electrones calientes en un plasma, o "corona", que rodea el agujero negro, energizándolos en la banda de rayos X. Esto da como resultado una emisión continua característica de "ley de potencia" que normalmente se observa en los telescopios de rayos X.

Sin embargo, también hay un misterioso "exceso suave" que a veces se observa en AGN. Esta emisión enigmática es un componente relativamente fuerte, amplio y sin rasgos distintivos en los espectros de rayos X de algunos AGN. Esta emisión alcanza su punto máximo a energía más baja, o energías de rayos X "suaves" (menos de ~ 1 keV) y puede superar el continuo característico de la ley de potencia que domina los espectros de rayos X típicos de AGN. Se ha observado un exceso suave en al menos la mitad de los AGN cercanos y puede transportar una gran fracción del flujo de rayos X observado de AGN. Sin embargo, su origen físico ha sido un tema de debate desde su descubrimiento a principios de la década de 1980.

Hay dos escenarios principales en competencia que se han propuesto para explicar la naturaleza del exceso blando. Una explicación es el modelo de dos coronas, que postula que hay dos regiones que producen emisiones no térmicas. Uno de ellos es la corona caliente que se ve en la mayoría de los AGN, mientras que una segunda corona cálida se ve en algunos AGN, proveniente de un plasma que es más frío y más espeso. Los rayos X en la corona menos energética se dispersan repetidamente y producen un espectro de rayos X de menor energía o más suave. En cambio, el segundo escenario postula que el exceso suave resulta de los rayos X de la corona caliente que brillan hacia abajo y se reflejan en el disco de acreción. En este caso, el exceso suave es el resultado de un bosque de líneas de emisión fluorescentes de átomos en el disco, que normalmente tienen bajas energías de rayos X. La fuerte gravedad del agujero negro y las altas velocidades del disco de acreción "difuminan" estas líneas en el exceso suave observado.

En un artículo publicado recientemente en Astronomy & Astrophysics, Francesco Ursini y sus colaboradores analizaron observaciones coordinadas del AGN en HE 1143-1810 tomadas con el satélite NuSTAR de la NASA y el satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea. NuSTAR proporcionó una cobertura sensible de los rayos X de alta energía de esta fuente, lo que restringió la emisión de la ley de potencia de AGN, mientras que XMM-Newton, sensible a los rayos X de baja energía, observó el exceso suave. Trabajando juntos, estos dos telescopios pueden modelar el espectro de rayos X de banda ancha de este AGN y rastrear cómo cambia el espectro con el tiempo. Con base en su análisis, Ursini y colaboradores favorecen el origen de dos coronas para el exceso suave sobre el modelo de reflexión.

En un artículo anterior publicado en el Astrophysical Journal, Javier García y sus colaboradores analizaron las observaciones de alta energía de NuSTAR y Suzaku de baja energía del AGN en Mrk 509. Al igual que Ursini y sus colaboradores, también consideraron tanto el modelo de dos coronas como el modelo relativistamente borroso. modelo de reflexión para explicar el exceso suave en esta fuente. Si bien García y colaboradores muestran que ambos modelos producen ajustes estadísticamente aceptables a sus datos, argumentaron que se prefiere el último modelo sobre la base de la física. Específicamente, se espera que la corona cálida produzca características de absorción muy fuertes que no se observan. Si bien el modelo de reflexión relativista requiere densidades muy altas y un agujero negro que gira cerca de la velocidad máxima permitida por las teorías de Einstein para producir el componente suave y amplio, estos valores extremos están permitidos e incluso se observan en algunas fuentes. Ursini señaló que los modelos teóricos más recientes muestran que estas líneas de absorción de corona cálida pueden evitarse si la segunda corona tiene una fuente de calentamiento interno, como podría ser el caso si la corona cálida es esencialmente una atmósfera caliente para el disco de acreción.

En resumen, continúa la historia de dos coronas. Los astrónomos están obteniendo mejores observaciones de AGN con un exceso suave e, irónicamente, el satélite NuSTAR de rayos X duros o de alta energía juega un papel único y muy importante en estas observaciones al restringir la emisión de corona caliente subyacente. Los modelos también están mejorando, tratando de seguir el ritmo de las observaciones. Podemos esperar algún avance en los próximos años de NuSTAR y los observatorios de baja energía actuales, e incluso un avance mayor cuando los satélites de rayos X de próxima generación se pongan en línea con capacidades nuevas y únicas, como polarimetría de rayos X, rayos X de alta resolución. espectroscopia y sensibilidad mejorada a la emisión de rayos X de mayor energía.

Concepto artístico de NuSTAR en órbita. NuSTAR tiene un mástil de 10 m (30 ') que se desplegó después del lanzamiento para separar los módulos ópticos (derecha) de los detectores en el plano focal (izquierda). La nave espacial, que controla los puntos de NuSTAR, y los paneles solares están con el plano focal. NuSTAR tiene dos módulos ópticos idénticos para aumentar la sensibilidad. El fondo es una imagen del centro galáctico obtenida con el Observatorio de rayos X Chandra. Crédito: NASA / JPL-Caltech.

Se pueden encontrar más detalles en “Monitoreo NuSTAR / XMM-Newton del Seyfert 1 Galaxy HE 1143-1810. Probando el escenario de las dos coronas ”por Ursini et al. (2020; A&A, 634, 192; doi: 10.1051 / 0004-6361 / 201936486) y “Implicaciones de los modelos de corona cálida y reflexión relativista para el exceso blando en Mrk 509” de García et al. (2019; ApJ, 871, 88; doi: 10.3847 / 1538-4357 / aaf739).

• Publicado en NuSTAR el 26 de marzo del 2021, enlace publicación.