NuSTAR Sondas Agujero Negro Jet y Misterio

El concepto de este artista muestra un agujero negro con un disco de acreción-una estructura plana de material que orbita el agujero negro-y un chorro de gas caliente, llamado plasma. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Los agujeros negros son famosos por ser devoradores voraces, pero no comen todo lo que cae hacia ellos. Una pequeña porción de material se dispara de nuevo en poderosos chorros de gas caliente, llamado plasma, que puede causar estragos en su entorno. A lo largo del camino, este plasma de alguna manera se energiza lo suficiente para irradiar fuertemente la luz, formando dos columnas brillantes a lo largo del eje de rotación del agujero negro. Los científicos han debatido por mucho tiempo dónde y cómo sucede esto en el jet.

Los astrónomos tienen nuevas pistas de este misterio. Usando el telescopio espacial NuSTAR de la NASA y una cámara rápida llamada ULTRACAM en el Observatorio William Herschel en la palma, España, los científicos han podido medir la distancia que las partículas en los jets viajan antes de que se "enciendan" y se conviertan en fuentes luminosas de luz. Esta distancia se llama la "zona de aceleración". El estudio se publica en la revista Nature Astronomía.

Los científicos miraron dos sistemas de la manera lechosa llamados "binarios de la radiografía," cada uno que consistía en un agujero negro que alimentaba apagado de una estrella normal. Estudiaron estos sistemas en diversos puntos durante los períodos del arrebato--que es cuando el disco del acrecentamiento--una estructura plana del material que orbitaba el agujero negro--brilla debido a el material que caía.

Un sistema, llamado V404 Cygni, había alcanzado un brillo casi máximo cuando los científicos lo observaban en junio de 2015. En ese momento, experimentó el estallido más brillante de un binario de rayos X visto en el siglo XXI. El otro, llamado GX 339-4, fue menos del 1 por ciento de su máximo brillo esperado cuando se observó. La estrella y el agujero negro de GX 339-4 están mucho más cercanos juntos que en el sistema de V404 Cygni.

A pesar de sus diferencias, los sistemas demostraron retardos de tiempo similares-cerca de una décima parte de un segundo--entre cuando NuSTAR primero detectó la luz de radiografía y ULTRACAM detectó las llamaradas en luz visible levemente más adelante. Ese retraso es menor que el parpadeo de un ojo, pero significativo para la física de los jets de agujero negro.

"Una posibilidad es que la física del jet no se determine por el tamaño del disco, sino por la velocidad, la temperatura y otras propiedades de las partículas en la base del jet", dijo Poshak Gandhi, autor principal del estudio y astrónomo de la Universidad de Southampton, Reino Unido.

Los mejores científicos de la teoría tienen que explicar estos resultados es que la luz de la radiografía origina del material muy cerca del agujero negro. Los campos magnéticos fuertes propulsan algo de este material a las altas velocidades a lo largo del jet. Esto da lugar a partículas que chocan cerca de la velocidad de la luz, energizando el plasma hasta que comienza a emitir la corriente de radiación óptica cogida por ULTRACAM.

¿Dónde en el jet se produce esto? El retardo medido entre la luz óptica y de rayos X explica esto. Multiplicando esta cantidad de tiempo por la velocidad de las partículas, que es casi la velocidad de la luz, los científicos determinan la distancia máxima recorrida.

Esta extensión de cerca de 19.000 millas (30.000 kilómetros) representa la zona de aceleración interna en el jet, donde el plasma siente la aceleración más fuerte y "se enciende" emitiendo la luz. Eso es poco menos de tres veces el diámetro de la Tierra, pero minúsculo en términos cósmicos, especialmente teniendo en cuenta el agujero negro en V404 Cygni pesa tanto como 3 millones Tierras juntadas.

"Los astrónomos esperan afinar los modelos para los mecanismos de potenciación de jet utilizando los resultados de este estudio", dijo Daniel Stern, coautor del estudio y astrónomo basado en el Laboratorio de Propulsión Jet de la NASA, Pasadena, California.

Hacer estas mediciones no fue fácil. Los telescopios de rayos x en el espacio y los telescopios ópticos en el suelo tienen que mirar los binarios de rayos x exactamente al mismo tiempo durante los estallidos para que los científicos calculen el diminuto retraso entre las detecciones de los telescopios.

Dicha coordinación requiere una compleja planificación entre los equipos del Observatorio. De hecho, la coordinación entre NuSTAR y ULTRACAM sólo fue posible durante aproximadamente una hora durante el estallido de 2015, pero eso fue suficiente para calcular los resultados pioneros sobre la zona de aceleración.

Los resultados también parecen conectarse con la comprensión de los científicos de los agujeros negros supermasivos, mucho más grandes que los de este estudio. En un sistema supermasivo llamado BL Lacertae, que pesa 200 millones veces la masa de nuestro Sol, los científicos han deducido el tiempo retrasa millones de veces mayor de lo que este estudio encontró. Esto significa que el tamaño de la zona de aceleración de los jets está probablemente relacionado con la masa del Agujero Negro.

"Estamos entusiasmados porque parece como si hubiéramos encontrado un criterio característico relacionado con el funcionamiento interno de los jets, no sólo en Agujeros Negros de masa estelar como V404 Cygni, sino también en monstruos supermasivos", dijo Gandhi.

Los pasos siguientes son confirmar este retraso medido en observaciones de otros binarios de la radiografía, y desarrollar una teoría que pueda atar los jets juntos en agujeros negros de todos los tamaños.

"Los telescopios terrestres y espaciales globales que trabajan juntos fueron clave para este descubrimiento." Pero esto es sólo un vistazo, y mucho queda por aprender. El futuro es realmente brillante para entender la física extrema de los agujeros negros ", dijo Fiona Harrison, investigador principal de NuSTAR y profesor de Astronomía en Caltech en Pasadena.

NuSTAR es una pequeña misión Exploradora liderada por Caltech y administrada por JPL para la dirección de la misión científica de la NASA en Washington. NuSTAR fue desarrollado en asociación con la Universidad Técnica Danesa y la Agencia Espacial Italiana (ASI). La nave espacial fue construida por Orbital Sciences Corp., Dulles, Virginia. El centro de operaciones de misión de NuSTAR se encuentra en UC Berkeley, y el archivo de datos oficial está en el centro de investigación de archivos científicos de Astrofísica de alta energía de la NASA. ASI proporciona la estación terrestre de la misión y un archivo de espejos. Caltech administra el JPL para la NASA.

Elizabeth Landau
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
818-354-6425
Elizabeth.landau@jpl.nasa.gov 

Traducción: El Quelonio Volador