Un agujero negro supermasivo ha mantenido a los astrónomos pegados a sus telescopios durante los últimos años. Primero fue una desaparición sorpresiva y ahora, un acto de rotación precario.
El agujero negro en cuestión es 1ES 1927+654, que tiene una masa similar a la de un millón de soles y se encuentra en una galaxia que está a 100 millones de años luz de distancia.
En 2018, astrónomos del MIT y de otros lugares observaron que la corona del agujero negro (una nube de plasma blanco incandescente que giraba) desapareció de repente, antes de volver a ensamblarse meses después. El breve pero dramático apagado fue una novedad en la astronomía de agujeros negros.
Los miembros del equipo del MIT han captado ahora el mismo agujero negro exhibiendo un comportamiento más inédito.
Los astrónomos han detectado destellos de rayos X provenientes del agujero negro a un ritmo cada vez mayor. Durante un período de dos años, los destellos, con oscilaciones de milihercios, aumentaron en frecuencia de cada 18 minutos a cada siete minutos. Hasta ahora no se había observado esta espectacular aceleración de los rayos X en un agujero negro.
Los investigadores exploraron una serie de escenarios para explicar los destellos. Creen que el culpable más probable es una enana blanca giratoria, un núcleo extremadamente compacto de una estrella muerta que orbita alrededor del agujero negro y se acerca peligrosamente a su horizonte de sucesos, el límite más allá del cual nada puede escapar de la atracción gravitatoria del agujero negro.
Si este es el caso, la enana blanca debe estar haciendo un impresionante acto de equilibrio, ya que podría estar llegando directamente al borde del agujero negro sin caer en él.
«Esto sería lo más cercano que conocemos alrededor de un agujero negro», dice Megan Masterson, una estudiante de posgrado en física del MIT, que codirigió el descubrimiento. «Esto nos dice que los objetos como las enanas blancas pueden vivir muy cerca de un horizonte de sucesos durante un período de tiempo relativamente prolongado».
Los investigadores presentan sus hallazgos en la 245.ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en National Harbor, Maryland, y publicarán los resultados en un artículo en Nature. Los hallazgos también se publican en el servidor de preimpresión arXiv.
Si una enana blanca es la raíz del misterioso destello del agujero negro, también emitiría ondas gravitacionales, en un rango que sería detectable por observatorios de próxima generación como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) de la NASA.
«Estos nuevos detectores están diseñados para detectar oscilaciones en la escala de minutos, por lo que este sistema de agujero negro se encuentra en ese punto óptimo», dice la coautora Erin Kara, profesora asociada de física en el MIT.
Otros coautores del estudio incluyen a los miembros del MIT Kavli Christos Panagiotou, Joheen Chakraborty, Kevin Burdge, Riccardo Arcodia, Ronald Remillard y Jingyi Wang, junto con colaboradores de muchas otras instituciones.
Nada normal
Kara y Masterson formaron parte del equipo que observó 1ES 1927+654 en 2018, cuando la corona del agujero negro se oscureció y luego se reconstruyó lentamente con el tiempo. Durante un tiempo, la corona recién reformada (una nube de plasma y rayos X altamente energéticos) fue el objeto emisor de rayos X más brillante del cielo.
«Seguía siendo extremadamente brillante, aunque no hizo nada nuevo durante un par de años y se movía como si estuviera gorgoteando. Pero sentimos que teníamos que seguir observándolo porque era muy hermoso», dice Kara. «Entonces notamos algo que nunca se había visto antes».
En 2022, el equipo examinó las observaciones del agujero negro tomadas por el XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, un observatorio espacial que detecta y mide las emisiones de rayos X de los agujeros negros, las estrellas de neutrones, los cúmulos galácticos y otras fuentes cósmicas extremas. Notaron que los rayos X del agujero negro parecían pulsar con una frecuencia cada vez mayor.
Estas «oscilaciones cuasi periódicas» sólo se han observado en un puñado de otros agujeros negros supermasivos, donde los destellos de rayos X aparecen con una frecuencia regular.
En el caso de 1ES 1927+654, el parpadeo parecía aumentar de forma constante, desde cada 18 minutos a cada siete minutos a lo largo de dos años.
«Nunca hemos visto esta variabilidad tan drástica en la velocidad a la que parpadea», afirma Masterson. «Esto no se parecía en nada a un agujero negro normal».
El hecho de que el destello se detectara en la banda de rayos X indica la gran posibilidad de que la fuente esté en algún lugar muy cercano al agujero negro. Las regiones más internas de un agujero negro son entornos de energía extremadamente alta, donde los rayos X son producidos por plasma caliente de rápido movimiento.
Es menos probable que los rayos X se vean a distancias mayores, donde el gas puede circular más lentamente en un disco de acreción. El entorno más frío del disco puede emitir luz óptica y ultravioleta, pero rara vez emite rayos X.
«Ver algo en rayos X ya te indica que estás muy cerca del agujero negro», dice Kara. «Cuando ves variabilidad en la escala de tiempo de minutos, eso está cerca del horizonte de sucesos, y lo primero que te viene a la mente es el movimiento circular, y si algo podría estar orbitando alrededor del agujero negro».
Impulso de rayos X
Lo que sea que estaba produciendo los destellos de rayos X lo estaba haciendo a una distancia extremadamente cercana del agujero negro, que los investigadores estiman que está a unos pocos millones de millas del horizonte de sucesos.
Masterson y Kara exploraron modelos para varios fenómenos astrofísicos que podrían explicar los patrones de rayos X que observaron, incluida una posibilidad relacionada con la corona del agujero negro.
«Una idea es que esta corona está oscilando, tal vez moviéndose de un lado a otro, y si comienza a encogerse, esas oscilaciones se vuelven más rápidas a medida que las escalas se hacen más pequeñas», dice Masterson. «Pero estamos en las primeras etapas de comprensión de las oscilaciones coronales».
Un escenario más probable, y uno que los científicos comprenden mejor en términos de la física involucrada, tiene que ver con una enana blanca temeraria.
«Estas cosas son realmente pequeñas y bastante compactas, y nuestra hipótesis es que es una enana blanca la que se está acercando tanto al agujero negro», dice Masterson.
Según sus modelos, los investigadores estiman que la enana blanca podría haber tenido alrededor de una décima parte de la masa del Sol. En contraste, el agujero negro supermasivo en sí mismo es del orden de 1 millón de masas solares.
Cuando un objeto se acerca tanto a un agujero negro supermasivo, se espera que emita ondas gravitacionales, que arrastran el objeto más cerca del agujero negro. A medida que se acerca, la enana blanca se mueve a un ritmo más rápido, lo que puede explicar la frecuencia creciente de las oscilaciones de rayos X que el equipo observó.
La enana blanca está prácticamente al borde del precipicio sin retorno y se estima que está a solo unos pocos millones de millas del horizonte de sucesos. Sin embargo, los investigadores predicen que la estrella no caerá en él.
Si bien la gravedad del agujero negro puede atraer a la enana blanca hacia adentro, la estrella también está arrojando parte de su capa exterior hacia el agujero negro. Este desprendimiento actúa como un pequeño contragolpe, de modo que la enana blanca, un objeto increíblemente compacto en sí mismo, puede resistirse a cruzar el límite del agujero negro.
«Como las enanas blancas son pequeñas y compactas, es muy difícil desmembrarlas, por lo que pueden estar muy cerca de un agujero negro», afirma Kara. «Si este escenario es correcto, esta enana blanca está justo en el punto de inflexión y es posible que la veamos alejarse más».
El equipo planea seguir observando el sistema, con telescopios existentes y futuros, para comprender mejor la física extrema que se produce en los entornos más internos de un agujero negro. Están especialmente entusiasmados por estudiar el sistema una vez que se lance el detector de ondas gravitacionales basado en el espacio LISA (actualmente previsto para mediados de la década de 2030), ya que las ondas gravitacionales que debería emitir el sistema estarán en un punto óptimo que LISA puede detectar claramente.
«Lo único que he aprendido con esta fuente es que nunca hay que dejar de mirarla porque probablemente nos enseñará algo nuevo», afirma Masterson. «El siguiente paso es simplemente mantener los ojos abiertos».
Con información de arXiv
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