Una suposición de larga data pero no probada sobre los espectros de rayos X de los agujeros negros en el espacio ha sido contradicha por experimentos prácticos realizados en la máquina Z de Sandia National Laboratories.

Z, la fuente de rayos X de laboratorio más enérgica de la Tierra, puede duplicar los rayos X que rodean los agujeros negros que de otro modo sólo se pueden observar desde una gran distancia y luego teorizar sobre ellos.

"Por supuesto, la emisión directamente de los agujeros negros no se puede observar, "dijo el investigador y autor principal de Sandia, Guillaume Loisel, autor principal de un artículo sobre los resultados experimentales, publicado en agosto en Cartas de revisión física . "Vemos la emisión de la materia circundante justo antes de que sea consumida por el agujero negro. Esta materia circundante se fuerza a la forma de un disco, llamado disco de acreción ".

Los resultados sugieren que se necesitan revisiones de los modelos utilizados anteriormente para interpretar las emisiones de la materia justo antes de que sea consumida por los agujeros negros. y también la tasa de crecimiento de masa relacionada dentro de los agujeros negros. Un agujero negro es una región del espacio exterior de la cual no hay material ni radiación (es decir, Rayos X, luz visible, y así sucesivamente) pueden escapar porque el campo gravitacional del agujero negro es muy intenso.

"Nuestra investigación sugiere que será necesario reelaborar muchos artículos científicos publicados durante los últimos 20 años, "Loisel dijo." Nuestros resultados desafían los modelos utilizados para inferir qué tan rápido los agujeros negros tragan la materia de su estrella compañera. Somos optimistas de que los astrofísicos implementarán cualquier cambio que se considere necesario ".

La mayoría de los investigadores están de acuerdo en que una excelente manera de aprender sobre los agujeros negros es usar instrumentos basados ​​en satélites para recolectar espectros de rayos X, dijo el coautor de Sandia, Jim Bailey. "El problema es que los plasmas que emiten los rayos X son exóticos, y los modelos utilizados para interpretar sus espectros nunca se han probado en el laboratorio hasta ahora, " él dijo.

El astrofísico de la NASA Tim Kallman, uno de los coautores, dijo, "El experimento Sandia es emocionante porque es lo más cerca que alguien ha estado de crear un entorno que sea una recreación de lo que sucede cerca de un agujero negro".

La teoría deja atrás la realidad

La divergencia entre teoría y realidad comenzó hace 20 años, cuando los físicos declararon que ciertas etapas de ionización del hierro (o iones) estaban presentes en el disco de acreción de un agujero negro, la materia que rodea a un agujero negro, incluso cuando no hay líneas espectrales que indiquen su existencia. La complicada explicación teórica fue que bajo la inmensa gravedad de un agujero negro e intensa radiación, Los electrones de hierro altamente energizados no volvieron a caer a estados de menor energía emitiendo fotones, la explicación cuántica común de por qué los materiales energizados emiten luz. En lugar de, los electrones se liberaron de sus átomos y se escabulleron como lobos solitarios en una oscuridad relativa. El proceso general se conoce como desintegración Auger, en honor al físico francés que lo descubrió a principios del siglo XX. La ausencia de fotones en el caso del agujero negro se denomina destrucción Auger, o más formalmente, el supuesto de destrucción de barrena resonante.

Sin embargo, Investigadores Z, duplicando las energías de rayos X que rodean los agujeros negros y aplicándolas a una película de silicio del tamaño de una moneda de diez centavos con las densidades adecuadas, mostró que si no aparecen fotones, entonces el elemento generador simplemente no está ahí. El silicio es un elemento abundante en el universo y experimenta el efecto Auger con más frecuencia que el hierro. Por lo tanto, si la destrucción de la barrena resonante ocurre en el hierro, también debería ocurrir en el silicio.

"Si la destrucción de la barrena resonante es un factor, debería haber sucedido en nuestro experimento porque teníamos las mismas condiciones, la misma densidad de columna, la misma temperatura, "dijo Loisel." Nuestros resultados muestran que si los fotones no están allí, los iones tampoco deben estar allí ". Ese hallazgo engañosamente simple, después de cinco años de experimentos, Pone en tela de juicio los numerosos artículos astrofísicos basados ​​en el supuesto de la destrucción de la barrena resonante.

El experimento Z imitó las condiciones que se encuentran en los discos de acreción que rodean los agujeros negros, que tienen densidades muchos órdenes de magnitud más bajas que la atmósfera de la Tierra.

"Aunque los agujeros negros son objetos extremadamente compactos, sus discos de acreción, los grandes plasmas en el espacio que los rodean, son relativamente difusos, "dijo Loisel." En Z, expandimos el silicio 50, 000 veces. Es de muy baja densidad cinco órdenes de magnitud más bajo que el silicio sólido ".

Esta es la representación de un artista del agujero negro llamado Cygnus X-1, se formó cuando la gran estrella azul a su lado colapsó en la más pequeña, materia extremadamente densa. (Imagen cortesía de NASA) Haga clic en la miniatura para ver una imagen de alta resolución.

El cuento de los espectros

La razón por la que las teorías precisas sobre el tamaño y las propiedades de un agujero negro son difíciles de conseguir es la falta de observaciones de primera mano. Los agujeros negros se mencionaron en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein hace un siglo, pero al principio se consideraron un concepto puramente matemático. Más tarde, Los astrónomos observaron los movimientos alterados de las estrellas en ataduras gravitacionales mientras rodeaban su agujero negro. o más recientemente, señales de ondas de gravedad, también predicho por Einstein, de las colisiones de esos agujeros negros. Pero la mayoría de estas entidades notables son relativamente pequeñas (alrededor de 1/10 de la distancia de la Tierra al Sol) y se encuentran a muchos miles de años luz de distancia. Sus tamaños relativamente pequeños a inmensas distancias hacen que sea imposible fotografiarlos con los mejores telescopios de mil millones de dólares de la NASA.

Lo que es observable son los espectros liberados por elementos en el disco de acreción del agujero negro, que luego introduce material en el agujero negro. "Hay mucha información en los espectros. Pueden tener muchas formas, ", dijo Kallman de la NASA." Los espectros de las bombillas incandescentes son aburridos, tienen picos en la parte amarilla de sus espectros. Los agujeros negros son más interesantes, con golpes y contoneos en diferentes partes de los espectros. Si puedes interpretar esos golpes y meneos, sabes cuanto gas, cuanto calor, qué tan ionizado y en qué medida, y cuántos elementos diferentes están presentes en el disco de acreción ".

Loisel dijo:"Si pudiéramos ir al agujero negro y tomar una cucharada del disco de acreción y analizarlo en el laboratorio, esa sería la forma más útil de saber de qué está hecho el disco de acreción. Pero como no podemos hacer eso, tratamos de proporcionar datos probados para modelos astrofísicos ".

Mientras Loisel está lista para decir R.I.P. a la suposición de Destrucción de la barrena resonante, todavía es consciente de las implicaciones de un mayor consumo de masa de agujeros negros, en este caso del hierro ausente, es solo una de varias posibilidades.

"Otra implicación podría ser que las líneas de los iones de hierro altamente cargados están presentes, pero las líneas se han identificado erróneamente hasta ahora. Esto se debe a que los agujeros negros cambian enormemente las líneas espectrales debido al hecho de que los fotones tienen dificultades para escapar del intenso campo de gravitación. " él dijo.

Ahora se están construyendo modelos en otros lugares para objetos accionados por acreción que no emplean la aproximación de destrucción de barrena resonante. "Estos modelos son necesariamente complicados, y, por lo tanto, es aún más importante probar sus suposiciones con experimentos de laboratorio, "Dijo Loisel.