Hallan un agujero negro que rota extremadamente inclinado respecto a su órbita

Descubren un agujero negro que desafía los modelos teóricos actuales de formación de este tipo de objetos compactos, utilizando telescopios instalados en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Los resultados de este trabajo se publican hoy en la revista Science.

Recreación artística del sistema binario de rayos X MAXI J1820+070, que contiene un agujero negro (el pequeño punto negro en el centro del disco gaseoso) y una estrella compañera. Un estrecho chorro de partículas (jet) es expulsado a lo largo del eje de giro del agujero negro, que está claramente desalineado con el eje de rotación de la órbita. Imagen producida con Binsim. Crédito: R. Hynes

Las observaciones realizadas por este equipo de investigadores, que lidera la Universidad de Turku y en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), revelan una diferencia de más de 40 grados entre el eje de la órbita de la binaria de rayos X llamada MAXI J1820+070 y el eje de rotación de su agujero negro. La existencia de un agujero negro en este sistema binario fue previamente confirmada por un equipo de investigadores del IAC, con observaciones realizadas en el Gran Telescopio Canarias (GTC o Grantecan) y el Telescopio William Herschel (WHT), del Isaac Newton Group, ambos instalados en el Observatorio del Roque de los Muchachos. 

A menudo, en los sistemas espaciales compuestos por objetos más pequeños orbitando alrededor del cuerpo masivo central, el propio eje de rotación de este cuerpo está alineado con el eje de rotación de sus satélites. Así sucede en el Sistema Solar, donde los planetas orbitan alrededor del Sol en un plano que coincide, aproximadamente, con el plano ecuatorial de nuestra estrella. La inclinación del eje de rotación del Sol con respecto al eje orbital de la Tierra es de apenas siete grados.

"La expectativa de la alineación entre los cuerpos celestes, en gran medida, no se mantiene para objetos como los agujeros negros que se encuentran en sistemas binarios de rayos X”, afirma Juri Poutanen, profesor de Astronomía de la Universidad de Turku y autor principal de este artículo. “Los agujeros negros de estos sistemas –añade se formaron como resultado de un cataclismo cósmico: el colapso de una estrella masiva. En la actualidad, el agujero negro se alimenta de gas que procede de su estrella compañera. Así, podemos observar radiación en el visible y en rayos X emitida por esta materia en un último suspiro, antes de entrar en el horizonte de eventos. También observamos emisión en radio procedente del chorro o jet de partículas relativistas expulsado por el sistema”. 

Siguiendo la señal de estos jets, los investigadores han podido determinar, con gran precisión, la dirección del eje de rotación del agujero negro. Aproximadamente un año después de su identificación, con el instrumento MAXI instalado en la Estación Espacial Internacional, la cantidad de gas que caía sobre el agujero negro empezó a disminuir y con ello el sistema se oscureció. Desde entonces, una parte notable de la emisión proviene de la estrella compañera. Del estudio de esta estrella con GTC, se pudo medir la inclinación de la órbita mediante técnicas espectroscópicas y resultó coincidir, prácticamente, con la inclinación del jet.

“Para establecer la orientación espacial de la órbita es necesario conocer el ángulo de posición de la binaria en el plano del cielo”, explica Manuel Pérez Torres, investigador del IAC y coautor de este artículo. Y añade: “La medición fue obtenida estudiando una propiedad de la radiación emitida por la binaria, su polarización. Esta información, combinada con resultados previos, nos ha dado una imagen detallada de la arquitectura de la binaria y la orientación 3D de sus componentes, conduciendo así al hallazgo de un agujero negro que rota, sorprendentemente, muy inclinado con respecto a su órbita.

Los resultados, que hoy se publican en la revista Science, abren una interesante perspectiva sobre la formación de agujeros negros y la evolución de este tipo de sistemas, ya que una desalineación tan extrema es difícil de conseguir en muchos escenarios de formación de agujeros negros y evolución de sistemas binarios.

"La diferencia de más de 40 grados entre el eje orbital y el giro del agujero negro fue completamente inesperada. Hasta ahora, cuando se realizaban modelos del comportamiento de la materia en un espacio temporal curvo alrededor de un agujero negro, los científicos habían asumido que esta diferencia era muy pequeña. Los modelos actuales ya son realmente complejos, y estos nuevos hallazgos nos obligan a añadirles una nueva dimensión al problema", señala Poutanen.

Previamente a la elaboración de este trabajo, un equipo de astrofísicos liderado por el investigador del IAC, Manuel A. Pérez Torres, confirmó la presencia de un agujero negro y obtuvo la inclinación de la órbita con datos obtenidos también desde La Palma, con el Gran Telescopio Canarias (GTC o Grantecan) y el Telescopio William Herschel (WHT). 

Sin embargo, las observaciones clave para la elaboración de este trabajo se realizaron utilizando el Telescopio Liverpool y el instrumento polarimétrico DIPol-UF, en el Telescopio Óptico Nórdico, que pertenece a las Universidades de Turku (Finlandia) y de Aarhus (Dinamarca), ambos instalados en la cumbre de La Palma.

Artículo científico: Poutanen, J. et al. 24 Feb 2022. Black hole spin–orbit misalignment in the x-ray binary MAXI J1820+070. Science. Vol 375, Issue 6583. pp. 874-876. DOI: 

https://doi.org/10.1126/science.abl4679 

Confirmación del agujero negro: Dynamical Confirmation of a Black Hole in MAXI J1820+070 (https://cutt.ly/TPSErvk)

Medición de la inclinación orbital: The Binary Mass Ratio in the Black Hole Transient MAXI J1820+070 (https://cutt.ly/EPSEcon)

Contacto en el IAC: mapt@iac.es

• Publicado en el IAC el 25 de marzo del 2022, enlace publicación.