NuSTAR y XMM-Newton ven un eco de luz detrás de un agujero negro

Utilizando los observatorios de rayos X NuSTAR de la NASA y XMM-Newton de la ESA, un equipo internacional de científicos dirigido por Dan Wilkins de la Universidad de Stanford observó destellos extremadamente brillantes de luz de rayos X provenientes de alrededor de un agujero negro. Las llamaradas de rayos X hicieron eco del gas que caía en el agujero negro y, a medida que las llamaradas disminuían, los telescopios recogieron destellos más débiles debido a los ecos de las llamaradas que rebotaban en el gas detrás del agujero negro.

Los investigadores observaron llamaradas brillantes de emisiones de rayos X, producidas cuando el gas cae en un agujero negro supermasivo. Las llamaradas hicieron eco del gas que caía en el agujero negro y, a medida que las llamaradas disminuían, se vieron breves destellos de rayos X, que corresponden al reflejo de las llamaradas del lado lejano del disco, doblado alrededor del agujero negro por su fuerte campo gravitacional. (Crédito de la imagen: Dan Wilkins, leyenda original Taylor Kubota)

Los científicos estaban monitoreando la cercana galaxia espiral I Zwicky 1, que se encuentra a 800 millones de años luz de la Tierra y alberga un agujero negro supermasivo 10 millones de veces más masivo que nuestro Sol. NuSTAR se apuntó a I Zwicky 1 continuamente durante 5,3 días en enero de 2020, con observaciones coordinadas de XMM-Newton durante 1,7 de esos días. Los astrónomos no esperaban ver nada detrás del agujero negro, ya que, notoriamente, ninguna luz puede escapar de un agujero negro. Sin embargo, la gravedad extrema de un agujero negro deforma el espacio-tiempo a su alrededor, y los ecos de luz de la llamarada brillante se doblan alrededor del agujero negro, volviéndose visibles para NuSTAR y XMM-Newton.

"Cualquier luz que entra en ese agujero negro no sale, por lo que no deberíamos poder ver nada que esté detrás del agujero negro", dijo Wilkins. Sin embargo, es otra característica extraña del agujero negro la que hace posible esta observación. “La razón por la que podemos ver eso es porque ese agujero negro está deformando el espacio, doblando la luz y retorciendo los campos magnéticos alrededor de sí mismo”, explicó Wilkins.

Ilustración de la nave espacial NuSTAR, que tiene un mástil de 30 pies (10 metros) que separa los módulos ópticos (derecha) de los detectores en el plano focal (izquierda). Esta separación es necesaria para el método utilizado para detectar rayos X. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Las observaciones fueron diseñadas para aprender más sobre la misteriosa "corona" del agujero negro, un plasma ionizado extremadamente caliente que es la fuente de la brillante luz de rayos X. Los astrónomos piensan que la corona es el resultado del gas que cae hacia el agujero negro, donde forma un disco giratorio a su alrededor, similar al agua que fluye hacia un desagüe. Este disco se calienta a cientos de miles de grados y genera fuertes campos magnéticos que se retuercen en nudos al girar. Cuando el campo magnético se bloquea, eventualmente se rompe, liberando la energía almacenada en su interior, similar, pero mucho más intensa que la actividad que ocurre en la superficie del Sol. Esto calienta todo a su alrededor y produce la corona de electrones de alta energía que producen la luz de rayos X.

La llamarada de rayos X observada desde I Zwicky 1 fue tan brillante que algunos de los rayos X iluminaron el disco de gas que caía en el agujero negro. Los rayos X que se reflejaban en el gas detrás del agujero negro se doblaban alrededor del agujero negro, provocando destellos más pequeños que llegaban a los telescopios con un retraso de varios minutos. Estas observaciones coinciden con las predicciones de Einstein sobre cómo la gravedad dobla la luz alrededor de los agujeros negros, como se describe en su teoría de la relatividad general.

Una representación artística del telescopio espacial XMM-Newton (misión multi-espejo de rayos X). Un estudio de datos de archivo de los telescopios espaciales de rayos X XMM-Newton y Chandra encontró evidencia de altos niveles de emisión de rayos X de las cercanas estrellas de neutrones Magnificent Seven, que pueden surgir de las hipotéticas partículas conocidas como axiones. Crédito: D. Ducros; ESA / XMM-Newton, CC BY-SA 3.0 OIG

"Hace cincuenta años, cuando los astrofísicos comenzaron a especular sobre cómo podría comportarse el campo magnético cerca de un agujero negro, no tenían idea de que algún día podríamos tener las técnicas para observar esto directamente y ver la teoría general de la relatividad de Einstein en acción", dijo. el coautor Roger Blandford, también de la Universidad de Stanford.

Los ecos de los rayos X del disco tienen "colores" de luz específicos y, a medida que los rayos X viajan alrededor del agujero negro, sus colores cambian ligeramente. Debido a que los ecos de rayos X tienen diferentes colores y se ven en diferentes momentos dependiendo de dónde se reflejen en el disco, los retrasos y los espectros de rayos X contienen mucha información sobre lo que está sucediendo alrededor de un agujero negro. Los astrónomos quieren utilizar esta técnica para crear un mapa 3D de los alrededores del agujero negro.

Para obtener más información, consulte “Ecos de rayos X y de curvatura de la luz desde detrás de un agujero negro supermasivo” de Wilkins et al. y publicado en Nature, Volumen 595, página 657 (DOI: 10.1038/s41586-021-03667-0)

• Publicado en NuSTAR el 4 de agosto del 2021, enlace publicación.