XMM-Newton capta las oscilaciones de rayos X de un agujero negro gigante
El telescopio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea ha detectado rayos X que fluctúan rápidamente y que provienen del borde mismo de un agujero negro supermasivo en el corazón de una galaxia cercana. Los resultados ofrecen una imagen fascinante que desafía la forma en que pensábamos que la materia cae en esos agujeros negros y apunta a una posible fuente de ondas gravitacionales que la futura misión de la ESA, LISA, podría detectar.
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| En esta impresión artística, se extrae materia de una enana blanca que orbita dentro del disco de acreción más interno que rodea el agujero negro supermasivo de 1ES 1927. Los astrónomos desarrollaron este escenario para explicar la evolución de las rápidas oscilaciones de rayos X detectadas por el satélite XMM-Newton de la ESA. Las oscilaciones podrían sugerir que un objeto masivo, como una estrella compacta, está incrustado en el disco de acreción y está orbitando rápidamente el agujero negro en su camino a ser tragado. La misión LISA de la ESA, que se lanzará en la próxima década, debería poder confirmar la presencia de una enana blanca en órbita detectando las ondas gravitacionales que produce. [Descripción de la imagen: En la mitad inferior de la imagen, un disco colorido, principalmente naranja y blanco, gira alrededor de una elipse negra que parece un agujero. Dentro del disco, una pequeña bola blanca parece girar dejando un rastro rosado; Por encima del disco y del agujero negro, un chorro de material tenue de color azul eléctrico se eleva y llena la parte superior de la imagen]. CRÉDITO: NASA/Sonoma State University, Aurore Simonnet |
XMM-Newton nos muestra que los agujeros negros devoran materia de formas más complejas de lo que los astrónomos creían en un principio. Los agujeros negros son predicciones de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Son monstruos gravitacionales que aprisionan cualquier trozo de materia o energía que cruza su "superficie", una región del espacio-tiempo conocida como horizonte de sucesos.
Durante su descenso final hacia el agujero negro, un proceso conocido como acreción, la materia condenada forma un disco alrededor del agujero negro. El gas del disco de acreción se calienta y emite principalmente luz ultravioleta (UV).
Los rayos ultravioleta interactúan con una nube de gas cargado eléctricamente, o plasma, que rodea el agujero negro y el disco de acreción. Esta nube se conoce como corona y las interacciones otorgan energía a los rayos ultravioleta, lo que los convierte en rayos X, que XMM-Newton puede capturar.
XMM-Newton lleva observando el agujero negro supermasivo 1ES 1927+654 desde 2011. En aquel entonces, todo era bastante normal, pero en 2018 las cosas cambiaron.
1ES 1927+654 sufrió una gran erupción que pareció perturbar su entorno porque la corona de rayos X desapareció. Poco a poco, la corona regresó y, a principios de 2021, parecía haberse restablecido la normalidad.
Comportamiento desconcertante
Sin embargo, en julio de 2022, XMM-Newton comenzó a observar que la emisión de rayos X variaba a niveles de alrededor del 10 % en escalas de tiempo entre 400 y 1000 segundos. Las oscilaciones cuasiperiódicas (QPO), como se denomina a este tipo de variabilidad, son notoriamente difíciles de detectar en los agujeros negros supermasivos.
“Este fue nuestro primer indicio de que algo extraño estaba sucediendo”, dice Megan Masterson, estudiante de doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE. UU.), quien dirigió el estudio XMM-Newton.
Las oscilaciones podrían indicar que un objeto masivo, como una estrella, está incrustado en el disco de acreción y está orbitando rápidamente alrededor del agujero negro en su camino a ser tragado. A medida que el objeto se acerca al agujero negro, el tiempo que tarda en orbitar disminuye, lo que hace que la frecuencia de las oscilaciones aumente.
Los cálculos han demostrado que este objeto en órbita es probablemente un cadáver estelar conocido como enana blanca , con una masa de alrededor de 0,1 veces la del Sol, que viaja a una velocidad increíble. Completa una órbita alrededor del monstruo central, cubriendo una distancia de unos 100 millones de kilómetros, cada dieciocho minutos aproximadamente.
Luego las cosas se pusieron aún más raras.
A lo largo de casi dos años, XMM-Newton demostró que las oscilaciones aumentaban en fuerza y frecuencia, pero no en la forma que esperaban los investigadores.
El equipo supuso que la energía orbital del objeto se emitía en forma de ondas gravitacionales, tal como dicta la relatividad general. Para comprobarlo, Megan calculó cuándo cruzaría el objeto el horizonte de sucesos, desaparecería de la vista y cesarían las oscilaciones. Resultó que era el 4 de enero de 2024.
"Nunca en mi carrera he sido capaz de hacer una predicción tan precisa", dice Erin Kara, del Instituto Tecnológico de Massachusetts y supervisora del doctorado de Megan.
XMM-Newton investiga más a fondo
En marzo de 2024, XMM-Newton volvió a observar y las oscilaciones seguían allí. El objeto viajaba ahora a aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz y completaba una órbita cada siete minutos. Fuera lo que fuese lo que había en el disco de acreción, se negaba obstinadamente a ser devorado por el agujero negro. O bien había algo más en juego que las ondas gravitacionales o era necesario cambiar toda la hipótesis.
Los investigadores también consideraron otra posibilidad para el origen de las oscilaciones. Recordando la desaparición de la corona de rayos X en 2018, se preguntaron si esta nube podría estar oscilando.
El problema fue que no existe una teoría establecida para explicar tal comportamiento y, como no había un camino claro para promover esta idea, volvieron al modelo original y se dieron cuenta de que había una manera de modificarlo.
Los astrónomos han descubierto pares de enanas blancas que se acercan en espiral gradualmente. A medida que se acercan, en lugar de permanecer intactas, una puede empezar a quitarle materia a la otra, lo que ralentiza la aproximación de los dos objetos. ¿Podría estar sucediendo lo mismo aquí y, en lugar de dirigirse intacta hacia el agujero negro, la enana blanca se está desgarrando lentamente?
Hay una manera de decidir.
Estudio de futuro de LISA
En la década de 2030, la ESA lanzará la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) , que está diseñada para detectar ondas gravitacionales exactamente en el rango de frecuencia que emite 1ES 1927+654. “Prevemos que si hay una enana blanca en órbita alrededor de este agujero negro supermasivo, LISA debería detectarla”, dice Megan. De ser así, sería una mirada fascinante a lo que sucede tan cerca del monstruo gravitacional.
“Este es otro gran ejemplo de las capacidades únicas de XMM-Newton. Fue fundamental para este resultado y es el único observatorio capaz de capturar esta señal de QPO con tanta claridad. La detección se basó en la exquisita combinación de observaciones prolongadas, una gran área de recolección en toda la banda de rayos X y una resolución temporal de XMM-Newton”, afirma Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton de la ESA.
Obra de arte inspirada en LISA
Notas para editores
El libro Millihertz Oscillations Near the Innermost Orbit of a Supermassive Black Hole de Masterson, Kara, et al., que se publicará en Nature el 13 de febrero de 2025, está disponible aquí
Comunicado de prensa de la NASA
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Relaciones con los medios de la ESA
Publicado en ESA el 13 de enero del 2024, enlace publicación.
