El extraño caso del agujero negro menguante

Astrónomos de la Universidad de Maryland y del Instituto de Tecnología de Massachusetts han detectado «ecos» dentro de este estallido que podrían dar pista de cómo evolucionan los agujeros negros mientras se «alimentan». En un estudio publicado este miércoles en la revista «Nature» y dado a conocer en la reunión anual de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Seattle (Washington), el equipo explica cómo cuando el agujero consume enormes cantidades de material estelar, su corona, el halo de electrones altamente energizados que lo rodea, se contrae significativamente, desde una extensión de unos 100 kilómetros a apenas 10 en poco más de un mes .

«Esta es la primera vez que vemos que la corona se reduce durante esta fase particular de la evolución del estallido», dice Jack Steiner, investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial en el MIT. «La corona todavía es bastante misteriosa, y aún tenemos una comprensión poco clara de lo que es. Pero ahora tenemos evidencias de que lo que está evolucionando en el sistema es la estructura de la corona en sí», añade.

El agujero negro detectado el 11 de marzo fue nombrado MAXI J1820 + 070, por el instrumento japonés que lo detectó, dedicado a monitorear todo el cielo en busca de explosiones y destellos de rayos X. En tan solo unos días, el agujero pasó de ser totalmente desconocido a convertirse en una de las fuentes de rayos X más brillantes del cielo. Poco después, los investigadores comenzaron a observar el evento con NICER, otro instrumento a bordo de la ISS, diseñado en parte por el MIT, para medir los fotones de rayos X entrantes.

«Este agujero negro, brillante y en auge, apareció en escena, y estaba casi completamente despejado, por lo que obtuvimos una visión muy prístina de lo que estaba pasando», dice Steiner.

Un estallido típico puede ocurrir cuando un agujero negro succiona enormes cantidades de material de una estrella cercana . Este material se acumula alrededor del agujero negro , en un vórtice giratorio conocido como disco de acreción, que puede abarcar millones de kilómetros de ancho. El material en el disco que está más cerca del centro del agujero negro gira más rápido, generando una fricción que calienta el disco. «Este disco puede sufrir avalanchas y verter su gas en el agujero negro central en una cantidad por segundo equivalente al Monte Everest. Y es entonces cuando entra en un estallido, que suele durar alrededor de un año», señala Steiner.

El equipo pudo recopilar mediciones extremadamente precisas de la energía y la sincronización de los fotones de rayos X durante todo el estallido del agujero negro. De manera crucial, captaron «ecos» entre los fotones de baja energía (aquellos que pueden haber sido emitidos inicialmente por el disco de acreción) y los fotones de alta energía (los rayos X que probablemente habían interactuado con los electrones de la corona). En el transcurso de un mes, los investigadores observaron que la duración de estos retrasos disminuyó significativamente, lo que indica que la distancia entre la corona y el disco de acreción también se estaba reduciendo. ¿Pero fue el disco o la corona lo que se estaba moviendo?

Para responder a esto, los investigadores midieron una firma que los astrónomos conocen como la «línea de hierro», una característica que emiten los átomos de hierro en un disco de acreción solo cuando están energizados. El hierro, por lo tanto, puede medir el límite interno de un disco de acreción.

Cuando los investigadores midieron la línea de hierro durante todo el estallido, no encontraron ningún cambio medible, lo que sugiere que el disco en sí no estaba cambiando de forma, sino que permanecía relativamente estable. Junto con la evidencia de un retraso en los rayos X, llegaron a la conclusión de que debía ser la corona la que estaba cambiando y encogiéndose como resultado de la explosión del agujero negro.

«Vemos que la corona comienza como una mancha hinchada de 100 kilómetros dentro del disco de acreción interno, luego se reduce a unos 10 kilómetros, aproximadamente en un mes», dice Steiner. «Este es el primer caso inequívoco de una corona que se encoge mientras el disco está estable», añade.

Anteriormente, estos ecos de luz del disco de acreción interno solo se veían en agujeros negros supermasivos , que tienen de millones a miles de millones de masas solares y evolucionan durante millones de años. Los agujeros negros estelares como J1820 tienen masas mucho más bajas y evolucionan mucho más rápido, por lo que los científicos pueden ver los cambios en las escalas de tiempo humano.

Los hallazgos ofrecen nuevos conocimientos sobre una fase importante de la explosión de un agujero negro, conocida como una transición de un estado duro, dominado por la energía de la corona, a uno suave, que se rige por las emisiones del disco de acreción. Además, si los científicos pueden entender cómo y por qué ocurren estos cambios en los agujeros negros de masa estelar durante un período de semanas, podrían obtener nuevos conocimientos sobre cómo evolucionan los agujeros negros supermasivos durante millones de años y cómo afectan a las galaxias donde residen.