La búsqueda revela ocho nuevas fuentes de ecos de agujeros negros


Dispersos a lo largo de nuestra galaxia, la Vía Láctea, hay decenas de millones de agujeros negros, pozos gravitatorios inmensamente fuertes del espacio-tiempo, de los cuales la materia que cae, e incluso la luz, nunca pueden escapar. Los agujeros negros son oscuros por definición, excepto en las raras ocasiones en que se alimentan. Cuando un agujero negro atrae gas y polvo de una estrella en órbita, puede emitir espectaculares ráfagas de luz de rayos X que rebotan y hacen eco en el gas inspirador, iluminando brevemente los alrededores extremos de un agujero negro.

Ahora, los astrónomos del MIT están buscando destellos y ecos de sistemas binarios de rayos X de agujeros negros cercanos, sistemas con una estrella en órbita y, en ocasiones, devorada por un agujero negro. Están analizando los ecos de tales sistemas para reconstruir la vecindad extrema e inmediata de un agujero negro.

En un estudio que aparece hoy en The Astrophysical Journal, los investigadores informan sobre el uso de una nueva herramienta de búsqueda automatizada, que han acuñado como «Máquina de reverberación», para analizar los datos satelitales en busca de signos de ecos de agujeros negros. En su búsqueda, han descubierto ocho nuevos binarios de agujeros negros con eco en nuestra galaxia. Anteriormente, solo se sabía que dos de estos sistemas en la Vía Láctea emitían ecos de rayos X.

Al comparar los ecos entre sistemas, el equipo ha construido una imagen general de cómo evoluciona un agujero negro durante un estallido. En todos los sistemas, observaron que un agujero negro primero pasa por un estado «duro», generando una corona de fotones de alta energía junto con un chorro de partículas relativistas que se lanzan a una velocidad cercana a la de la luz. Los investigadores descubrieron que, en cierto punto, el agujero negro emite un destello final de alta energía, antes de pasar a un estado «suave» de baja energía.

Este destello final puede ser una señal de que la corona de un agujero negro, la región de plasma de alta energía justo fuera del límite de un agujero negro, se expande brevemente, expulsando un estallido final de partículas de alta energía antes de desaparecer por completo. Estos hallazgos podrían ayudar a explicar cómo los agujeros negros supermasivos más grandes en el centro de una galaxia pueden expulsar partículas a través de vastas escalas cósmicas para dar forma a la formación de una galaxia.

«El papel de los agujeros negros en la evolución de las galaxias es una cuestión pendiente en la astrofísica moderna», dice Erin Kara, profesora asistente de física en el MIT. «Curiosamente, estos binarios de agujeros negros parecen ser ‘mini’ agujeros negros supermasivos y, por lo tanto, al comprender los estallidos en estos pequeños sistemas cercanos, podemos entender cómo los estallidos similares en los agujeros negros supermasivos afectan a las galaxias en las que residen».

El primer autor del estudio es el estudiante graduado del MIT Jingyi Wang; otros coautores incluyen a Matteo Lucchini y Ron Remillard en el MIT, junto con colaboradores de Caltech y otras instituciones.

Retrasos de rayos x

Kara y sus colegas están usando ecos de rayos X para mapear la vecindad de un agujero negro, de la misma manera que los murciélagos usan ecos de sonido para navegar por su entorno. Cuando un murciélago emite una llamada, el sonido puede rebotar en un obstáculo y regresar al murciélago como un eco. El tiempo que tarda el eco en regresar es relativo a la distancia entre el murciélago y el obstáculo, lo que le da al animal un mapa mental de su entorno.

De manera similar, el equipo del MIT busca mapear la vecindad inmediata de un agujero negro utilizando ecos de rayos X. Los ecos representan retrasos de tiempo entre dos tipos de luz de rayos X: la luz emitida directamente desde la corona y la luz de la corona que rebota en el disco de acreción de gas y polvo inspiradores.

El tiempo en que un telescopio recibe luz de la corona, en comparación con cuando recibe los ecos de rayos X, da una estimación de la distancia entre la corona y el disco de acreción. Observar cómo cambian estos retrasos de tiempo puede revelar cómo evolucionan la corona y el disco de un agujero negro a medida que el agujero negro consume material estelar.

Evolución del eco

En su nuevo estudio, el equipo desarrolló un algoritmo de búsqueda para analizar los datos tomados por el Explorador de composición interior de la estrella de neutrones de la NASA, o NICER, un telescopio de rayos X de alta resolución en el tiempo a bordo de la Estación Espacial Internacional. El algoritmo seleccionó 26 sistemas binarios de rayos X de agujeros negros que anteriormente se sabía que emitían estallidos de rayos X. De estos 26, el equipo encontró que 10 sistemas estaban lo suficientemente cerca y brillantes como para poder discernir ecos de rayos X en medio de los estallidos. No se sabía previamente que ocho de los 10 emitieran ecos.

«Vemos nuevas firmas de reverberación en ocho fuentes», dice Wang. «Los agujeros negros varían en masa de cinco a 15 veces la masa del sol, y todos están en sistemas binarios con estrellas similares al sol, normales y de baja masa».

Como proyecto paralelo, Kara está trabajando con los académicos de educación y música del MIT, Kyle Keane e Ian Condry, para convertir la emisión de un típico eco de rayos X en ondas sonoras audibles.

Luego, los investigadores ejecutaron el algoritmo en los 10 binarios de agujeros negros y dividieron los datos en grupos con «características de tiempo espectral» similares, es decir, retrasos similares entre los rayos X de alta energía y los ecos reprocesados. Esto ayudó a rastrear rápidamente el cambio en los ecos de rayos X en cada etapa durante el estallido de un agujero negro.

El equipo identificó una evolución común en todos los sistemas. En el estado «duro» inicial, en el que una corona y un chorro de partículas de alta energía dominan la energía del agujero negro, detectaron retrasos de tiempo cortos y rápidos, del orden de milisegundos. Este estado duro dura varias semanas. Luego, se produce una transición durante varios días, en los que la corona y el chorro chisporrotean y se extinguen, y toma el control un estado blando, dominado por rayos X de menor energía del disco de acreción del agujero negro.

Durante este estado de transición de duro a suave, el equipo descubrió que los retrasos de tiempo se hicieron momentáneamente más largos en los 10 sistemas, lo que implica que la distancia entre la corona y el disco también se hizo más grande. Una explicación es que la corona puede expandirse brevemente hacia afuera y hacia arriba, en un último estallido de alta energía antes de que el agujero negro termine la mayor parte de su comida estelar y se quede en silencio.

«Estamos en los comienzos de poder usar estos ecos de luz para reconstruir los entornos más cercanos al agujero negro», dice Kara. «Ahora hemos demostrado que estos ecos se observan comúnmente, y podemos probar las conexiones entre el disco, el chorro y la corona de un agujero negro de una nueva manera».

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