El material que cae en un agujero negro arroja rayos X al espacio, y ahora los astrónomos han utilizado los ecos de esta radiación para mapear el comportamiento dinámico y los alrededores de un agujero negro en sí.

La mayoría de los agujeros negros son demasiado pequeños en el cielo para que podamos determinar su entorno inmediato. pero aún podemos explorar estos misteriosos objetos observando cómo se comporta la materia a medida que se acerca, y cae en ellos.

Mientras el material gira en espiral hacia un agujero negro, se calienta y emite rayos X que, Sucesivamente, hacen eco y reverberan cuando interactúan con el gas cercano. Estas regiones del espacio están muy distorsionadas y deformadas debido a la naturaleza extrema y la gravedad aplastantemente fuerte del agujero negro.

Ahora, Los investigadores han utilizado el observatorio de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea para rastrear estos ecos de luz y mapear los alrededores del agujero negro en el núcleo de una galaxia activa. Sus resultados se publican en la revista. Astronomía de la naturaleza .

Nombrado IRAS 13224–3809, La galaxia anfitriona del agujero negro es una de las fuentes de rayos X más variables del cielo. experimentando fluctuaciones muy grandes y rápidas en el brillo de un factor de 50 en solo horas.

"Todo el mundo está familiarizado con cómo el eco de su voz suena diferente cuando se habla en un aula en comparación con una catedral; esto se debe simplemente a la geometría y los materiales de las habitaciones, lo que hace que el sonido se comporte y rebote de manera diferente, "dijo el Dr. William Alston del Instituto de Astronomía de Cambridge, autor principal del nuevo estudio.

"De forma similar, podemos observar cómo los ecos de la radiación de rayos X se propagan en la vecindad de un agujero negro para trazar la geometría de una región y el estado de un grupo de materia antes de que desaparezca en la singularidad. Es un poco como la ubicación del eco cósmico ".

Como la dinámica del gas que cae está fuertemente ligada a las propiedades del agujero negro consumidor, Alston y sus colegas también pudieron determinar la masa y el giro del agujero negro central de la galaxia observando las propiedades de la materia mientras giraba en espiral hacia adentro.

El material forma un disco cuando cae en el agujero negro. Sobre este disco se encuentra una región de electrones calientes, con temperaturas de alrededor de mil millones de grados, llamada corona. Si bien los científicos esperaban ver los ecos de reverberación que usaban para mapear la geometría de la región, también vieron algo inesperado:la corona en sí cambió de tamaño rápidamente, en cuestión de días.

"A medida que cambia el tamaño de la corona, también hace eco la luz, un poco como si el techo de la catedral se moviera hacia arriba y hacia abajo, cambiando como suena el eco de tu voz, "dijo Alston.

"Al rastrear los ecos de luz, pudimos rastrear esta corona cambiante, y, lo que es aún más emocionante, obtener valores mucho mejores para la masa y el giro del agujero negro de los que podríamos haber determinado si la corona no hubiera cambiado de tamaño. Sabemos que la masa del agujero negro no puede fluctuar, por lo que cualquier cambio en el eco debe deberse al entorno gaseoso ".

El estudio utilizó la observación más larga de un agujero negro en crecimiento jamás tomada con XMM-Newton, recopiló más de 16 órbitas de naves espaciales en 2011 y 2016 y totalizó 2 millones de segundos, poco más de 23 días. Esta, combinado con la variabilidad fuerte y a corto plazo del propio agujero negro, permitió a Alston y sus colaboradores modelar los ecos de manera integral en escalas de tiempo de un día.

La región explorada en este estudio no es accesible a observatorios como el Event Horizon Telescope, que logró tomar la primera fotografía de gas en las inmediaciones de un agujero negro, el que se encuentra en el centro de la cercana galaxia masiva M87. El resultado, basado en observaciones realizadas con radiotelescopios en todo el mundo en 2017 y publicadas el año pasado, se convirtió en una sensación mundial.

"La imagen del Event Horizon Telescope se obtuvo mediante un método conocido como interferometría, una técnica que solo puede funcionar en los pocos agujeros negros supermasivos más cercanos a la Tierra. como los de M87 y nuestra galaxia de origen, la vía Láctea, porque su tamaño aparente en el cielo es lo suficientemente grande para que el método funcione, "dijo el coautor Michael Parker, quien es investigador de la ESA en el Centro Europeo de Astronomía Espacial cerca de Madrid.

"Por el contrario, nuestro enfoque es capaz de sondear los cientos de agujeros negros supermasivos más cercanos que consumen materia de forma activa, y este número aumentará significativamente con el lanzamiento del satélite Athena de la ESA ".

Caracterizar los entornos que rodean los agujeros negros es un objetivo científico fundamental para la misión Athena de la ESA. que está programado para su lanzamiento a principios de la década de 2030 y revelará los secretos del Universo caliente y enérgico.

Midiendo la masa, Las tasas de rotación y acreción de una gran muestra de agujeros negros es clave para comprender la gravedad en todo el cosmos. Adicionalmente, Dado que los agujeros negros supermasivos están fuertemente vinculados a las propiedades de su galaxia anfitriona, Estos estudios también son clave para ampliar nuestro conocimiento de cómo se forman y evolucionan las galaxias con el tiempo.

"El gran conjunto de datos proporcionado por XMM-Newton fue esencial para este resultado, "dijo Norbert Schartel, Científico del Proyecto XMM-Newton de la ESA. "El mapeo de reverberación es una técnica que promete revelar mucho sobre los agujeros negros y el Universo en general en los próximos años. Espero que XMM-Newton realice campañas de observación similares para varias galaxias más activas en los próximos años, para que el método esté completamente establecido cuando se lance Athena ".