Descubriendo los secretos del agujero negro supermasivo de nuestra galaxia

Los agujeros negros son notoriamente difíciles de estudiar, en parte porque ni siquiera la luz puede escapar de su inmensa gravedad. Los investigadores suelen inferir sus propiedades observando la influencia gravitatoria de un agujero negro sobre las estrellas cercanas, el gas, los plasmas energéticos y otros fenómenos relacionados. Los astrónomos también aprenden sobre el entorno que rodea al agujero negro y su actividad pasada observando los ecos reflejados en las estructuras cercanas (con la salvedad de que los astrónomos pueden tener una comprensión diferente de "cerca" que otras personas). Utilizando datos de rayos X de NuSTAR, los investigadores de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) han hecho descubrimientos revolucionarios sobre Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Estos hallazgos se presentaron en la 244.ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense, celebrada en Madison, Wisconsin, en junio.

Al monitorear la emisión de rayos X de alta energía del centro de nuestra galaxia, NuSTAR investiga la actividad actual y pasada de Sagitario A*, el supermasivo que se encuentra en el centro de la Vía Láctea. Estas imágenes capturan una llamarada observada en julio de 2012 durante un período de dos días. En el panel central, el agujero negro estaba consumiendo y calentando materia a temperaturas de hasta 180 millones de grados Fahrenheit (100 millones de grados Celsius). Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech.

Fuegos artificiales galácticos

Grace Sanger-Johnson, investigadora de posgrado en la Universidad Estatal de Michigan, analizó 10 años de datos del NuSTAR en busca de llamaradas de rayos X de Sagitario A*. Al hacerlo, descubrió nueve llamaradas que anteriormente habían pasado desapercibidas. Estas llamaradas son explosiones espectaculares de luz de alta energía que brindan una oportunidad única para estudiar el entorno que rodea al agujero negro. Esta región suele ser invisible debido al denso gas y polvo que bloquea la mayor parte de la luz, pero no los rayos X penetrantes de alta energía observados por el NuSTAR. Sagitario A* es el agujero negro supermasivo más cercano a la Tierra. Los datos de Sagitario A* y sus llamaradas son una de las únicas formas conocidas actualmente de estudiar la física y el entorno físico de un agujero negro. Sanger-Johnson examinó meticulosamente una década de datos de rayos X recopilados entre 2015 y 2024 por el NuSTAR. Cada una de las nueve llamaradas recién descubiertas proporciona una visión única del entorno y las actividades del agujero negro.

"Estamos sentados en primera fila para observar estos fuegos artificiales cósmicos únicos en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea", dijo el profesor Shuo Zhang, asesor de Sanger-Johnson. "Las llamaradas iluminan la oscuridad y nos ayudan a observar cosas que normalmente no podríamos". El análisis de las propiedades de estas llamaradas de rayos X ayudará a los astrónomos a inferir las condiciones físicas del entorno extremo que rodea al agujero negro supermasivo.

Ecos de un agujero negro

Mientras Sanger-Johnson se centraba en las brillantes llamaradas de Sagitario A*, Jack Uteg, un investigador universitario, examinaba la actividad del agujero negro utilizando una técnica similar a la de escuchar ecos. Uteg analizó más de 20 años de datos sobre una nube molecular gigante conocida como "el Puente" cerca de Sagitario A*. Este seguimiento comenzó antes de que naciera Uteg.

A diferencia del agujero negro central, las nubes de gas y polvo del espacio interestelar no pueden generar sus propios rayos X. Por eso, cuando los telescopios de rayos X detectaron fotones del Puente, se dedujo que la emisión era una reflexión retardada de explosiones de rayos X anteriores de Sagitario A*. La luminosidad de rayos X del Puente comenzó a aumentar alrededor de 2008 y luego aumentó durante los siguientes 12 años hasta alcanzar su brillo máximo en 2020. Esta luz "eco" del agujero negro viajó durante cientos de años desde Sgr A* hasta la nube molecular, y luego viajó otros 26.000 años aproximadamente antes de llegar a la Tierra.

Al analizar estos ecos de rayos X, Uteg pudo reconstruir una cronología de la actividad pasada de nuestro agujero negro, lo que ofrece información que no sería posible obtener únicamente mediante observaciones directas. El análisis de Uteg utilizó datos del NuSTAR y del satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, que estudia el universo en rayos X de menor energía.

"Una de las principales razones por las que nos preocupa que esta nube se vuelva más brillante es que nos permite limitar el brillo que tenía Sagitario A* en el pasado", dijo Uteg. Basándose en estos datos, el equipo determinó que, hace unos 200 años, el agujero negro en el centro de la Vía Láctea era unas 10.000 veces más brillante en rayos X en comparación con cómo lo vemos hoy. Mientras Estados Unidos celebraba su primer 4 de julio, Sagitario A* se estaba alimentando del material cercano, calentándolo y produciendo grandes cantidades de rayos X. Hoy, el agujero negro solo mordisquea. "El agujero negro en el centro de nuestra galaxia producía fuegos artificiales hace apenas 200 años, pero hoy es simplemente una bengala", dijo el Dr. Brian Grefenstette, científico del personal de NuSTAR en el Instituto de Tecnología de California.

Este es el primer estudio de variabilidad de rayos X a largo plazo de una nube molecular que rodea a Sagitario A* que detecta su luminosidad máxima en rayos X. "Esto nos permite conocer la actividad pasada de Sgr A* y continuaremos con este estudio astroarqueológico para desentrañar aún más los misterios del centro de la Vía Láctea", dijo Zhang.

Si bien los mecanismos exactos que desencadenan las llamaradas de rayos X y los ciclos de vida de los agujeros negros siguen siendo misterios y áreas de estudio activo, NuSTAR está ayudando a impulsar más investigaciones y mejorar nuestra comprensión de estos enigmáticos objetos.

Publicado en NuStar el 15 de julio del 2024, enlace publicación.