El 11 de marzo un instrumento a bordo de la Estación Espacial Internacional detectó una enorme explosión de luz de rayos X que llegó a ser seis veces más brillante que la Nebulosa del Cangrejo, casi 10, 000 años luz de distancia de la Tierra. Los científicos determinaron que la fuente era un agujero negro atrapado en medio de un estallido, una fase extrema en la que un agujero negro puede arrojar ráfagas brillantes de energía de rayos X mientras devora una avalancha de gas y polvo de una estrella cercana.

Ahora, los astrónomos del MIT y otros lugares han detectado "ecos" dentro de esta explosión de emisiones de rayos X, que creen que podría ser una pista de cómo evolucionan los agujeros negros durante un estallido. En un estudio publicado hoy en la revista Naturaleza , el equipo reporta evidencia de que como el agujero negro consume enormes cantidades de material estelar, su corona, el halo de electrones altamente energizados que rodea un agujero negro, se contrae significativamente, desde una extensión inicial de unos 100 kilómetros (aproximadamente el ancho de Massachusetts) hasta apenas 10 kilómetros, en poco más de un mes.

Los hallazgos son la primera evidencia de que la corona se encoge a medida que se alimenta un agujero negro, o se acumula. Los resultados también sugieren que es la corona la que impulsa la evolución de un agujero negro durante la fase más extrema de su estallido.

"Esta es la primera vez que hemos visto este tipo de evidencia de que la corona se está reduciendo durante esta fase particular de evolución explosiva, "dice Jack Steiner, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "La corona todavía es bastante misteriosa, y todavía tenemos una comprensión vaga de lo que es. Pero ahora tenemos evidencia de que lo que está evolucionando en el sistema es la estructura de la propia corona ".

Los coautores del MIT de Steiner incluyen a Ronald Remillard y la primera autora Erin Kara.

Ecos de rayos X

El agujero negro detectado el 11 de marzo se denominó MAXI J1820 + 070, para el instrumento que lo detectó. La misión Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) es un conjunto de detectores de rayos X instalados en el Módulo Experimental Japonés de la Estación Espacial Internacional (ISS), que monitorea todo el cielo en busca de explosiones y destellos de rayos X.

Poco después de que el instrumento captara el estallido del agujero negro, Steiner y sus colegas comenzaron a observar el evento con el Explorador de composición interior de la estrella de neutrones de la NASA, o NICER, otro instrumento a bordo de la ISS, que fue diseñado en parte por el MIT, para medir la cantidad y el tiempo de los fotones de rayos X entrantes.

"Este agujero negro tremendamente brillante entró en escena, y estaba casi completamente despejado, así que obtuvimos una visión muy clara 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 arremolinado conocido como disco de acreción, que puede abarcar millones de millas de ancho. El material en el disco que está más cerca del centro del agujero negro gira más rápido, generando fricción que calienta el disco.

"El gas en el centro tiene millones de grados de temperatura, "Dice Steiner." Cuando calientas algo tan caliente, brilla como rayos X. Este disco puede sufrir avalanchas y verter su gas en el agujero negro central a aproximadamente el equivalente a un equivalente de gas del Monte Everest por segundo. Y ahí es cuando entra en erupción, que suele durar alrededor de un año ".

Los científicos han observado anteriormente que los fotones de rayos X emitidos por el disco de acreción pueden hacer ping-pong de los electrones de alta energía en la corona de un agujero negro. Steiner dice que algunos de estos fotones pueden dispersarse "hasta el infinito, "mientras que otros se dispersan sobre el disco de acreción como rayos X de mayor energía.

Al usar NICER, el equipo pudo recopilar mediciones extremadamente precisas tanto de la energía como de la sincronización de los fotones de rayos X a lo largo del estallido del agujero negro. Crucialmente, recogieron "ecos, "o retrasos entre los fotones de baja energía (aquellos que pueden haber sido inicialmente emitidos 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 rezagos disminuyó significativamente, lo que indica que la distancia entre la corona y el disco de acreción también se estaba reduciendo. ¿Pero era el disco o la corona lo que estaba entrando?

Para responder a esto, los investigadores midieron una firma que los astrónomos conocen como la "línea de hierro", una característica que es emitida por los átomos de hierro en un disco de acreción solo cuando están energizados. como por el reflejo de los fotones de rayos X en los electrones de una corona. Planchar, por lo tanto, puede medir el límite interno de un disco de acreción.

Cuando los investigadores midieron la línea de hierro a lo largo del estallido, no encontraron ningún cambio mensurable, sugiriendo que el disco en sí no estaba cambiando de forma, pero permaneciendo relativamente estable. Junto con la evidencia de un retraso de rayos X decreciente, concluyeron que debe ser la corona la que estaba cambiando, y encogiéndose como resultado del estallido del agujero negro.

"Vemos que la corona comienza así hinchada, Mancha de 100 kilómetros dentro del disco de acreción interno, luego se reduce a unos 10 kilómetros, durante aproximadamente un mes, Steiner dice:"Este es el primer caso inequívoco de reducción de la corona mientras el disco está estable".

"NICER nos ha permitido medir los ecos de luz más cerca que nunca de un agujero negro de masa estelar, "Kara agrega." Anteriormente, estos ecos de luz del disco de acreción interno solo se veían en agujeros negros supermasivos, que son de millones a miles de millones de masas solares y evolucionan a lo largo de millones de años. Los agujeros negros estelares como J1820 tienen masas mucho más bajas y evolucionan mucho más rápido, para que podamos ver los cambios que se producen en escalas de tiempo humanas ".

Si bien no está claro qué está causando exactamente que la corona se contraiga, Steiner especula que la nube de electrones de alta energía está siendo comprimida por la abrumadora presión generada por la avalancha de gas que cae en el disco de acreción.

Los hallazgos ofrecen nuevos conocimientos sobre una fase importante del estallido de un agujero negro, conocido como una transición de un estado duro a uno blando. Los científicos han sabido que en algún momento al principio de un arrebato, un agujero negro pasa de una fase "dura" que está dominada por la energía de la corona, a una fase "blanda" que se rige más por las emisiones del disco de acreción.

"Esta transición marca un cambio fundamental en el modo de acreción de un agujero negro, "Dice Steiner." Pero no sabemos exactamente qué está pasando. ¿Cómo pasa un agujero negro de estar dominado por una corona a su disco? ¿El disco se mueve y se hace cargo? ¿O la corona cambia y se disipa de alguna manera? Esto es algo que la gente ha estado tratando de desentrañar durante décadas y ahora este es un trabajo definitivo con respecto a lo que está sucediendo en esta fase de transición, y que lo que está cambiando es la corona ".