Un agujero negro supermasivo cercano emite rayos X misteriosamente nítidos.

El agujero negro en cuestión es 1ES 1927+654, que tiene aproximadamente un millón de masas solares y se encuentra en una galaxia a 100 millones de años luz de distancia. En 2018, astrónomos del MIT y de otros lugares observaron que la corona de un agujero negro (una nube arremolinada de plasma candente) desaparecía repentinamente, antes de volver a ensamblarse meses después. El breve pero dramático cierre fue el primero en la astronomía de agujeros negros.

Los miembros del equipo del MIT han capturado ahora el mismo agujero negro que muestra un comportamiento más inusual.

Los astrónomos han detectado el brillo de rayos X procedente del agujero negro a un ritmo cada vez mayor. En el transcurso de dos años, la frecuencia de los destellos aumentó de cada 18 minutos a cada siete minutos, en oscilaciones de milihercios. Esta dramática aceleración de los rayos X nunca antes se había visto desde un agujero negro.

Los investigadores exploraron varios escenarios que podrían explicar el resplandor. Creen que el probable culpable es una enana blanca en órbita: el núcleo altamente compacto de una estrella muerta que orbita alrededor de un agujero negro y se acerca a su horizonte de sucesos, el límite más allá del cual cualquier cosa. Un agujero negro no puede escapar de su gravedad. De ser así, la enana blanca estaría llevando a cabo un proceso de equilibrio impresionante, ya que podría alcanzar el borde del agujero negro sin caer en él.

“Esto sería lo más parecido que conocemos a un agujero negro”, dijo Megan Masterson, estudiante de posgrado en física del MIT que codirigió el descubrimiento. “Esto nos dice que objetos como las enanas blancas pueden permanecer muy cerca de un horizonte de sucesos durante períodos de tiempo relativamente largos”.

Los investigadores presentaron sus hallazgos hoy en la 245ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en National Harbor, Maryland.

Si una enana blanca está en la raíz del misterioso resplandor del agujero negro, también emitirá ondas gravitacionales, en el rango detectable por observatorios de próxima generación, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) de la NASA.

“Estos nuevos detectores están diseñados para detectar oscilaciones en la escala de minutos, por lo que este sistema de agujeros negros se encuentra en ese punto ideal”, dice la coautora Erin Cara, profesora asociada de física en el MIT.

Otros coautores del estudio incluyen a los miembros del MIT Kawli Christos Panagiotto, Johann Chakraborty, Kevin Bridge, Ricardo Arcodia, Ronald Remillard y Genghis Wang, junto con colegas de varias otras instituciones.

Nada es normal.

Cara y Masterson formaron parte del equipo que observó 1ES 1927+654 en 2018, mientras la corona del agujero negro se oscurecía y luego se recomponía lentamente con el tiempo. Durante un tiempo, la corona recién reformada (una nube de plasma y rayos X altamente energéticos) fue el objeto emisor de rayos X más brillante del cielo.

“Seguía siendo muy brillante, a pesar de que no había hecho nada nuevo durante algunos años y se estaba mimetizando. Pero sentimos que teníamos que seguir vigilándolo porque es muy hermoso”, dice Cara. “Entonces vimos algo que nunca antes se había visto”.

En 2022, el equipo examinó las observaciones de agujeros negros realizadas por el XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, un observatorio espacial que detecta emisiones de rayos X de agujeros negros, estrellas de neutrones, cúmulos de galaxias y otras fuentes cósmicas extremas. . Observaron que los rayos X del agujero negro parecen pulsar con una frecuencia cada vez mayor. Estas “oscilaciones cuasi periódicas” sólo se han observado en un puñado de otros agujeros negros supermasivos, donde aparecen destellos de rayos X con una frecuencia regular.

En el caso de 1ES 1927+654, el parpadeo ha ido aumentando constantemente, de cada 18 minutos a cada siete minutos durante un período de dos años.

“Nunca hemos visto esta variación dramática en la velocidad a la que parpadea”, dice Masterson. “No se parecía en nada a un agujero negro normal”.

El hecho de que se detecte un resplandor en la banda de rayos X indica una gran posibilidad de que la fuente esté muy cerca de un agujero negro. Los interiores de los agujeros negros son entornos de energía extremadamente alta, donde los rayos X son producidos por plasma caliente que se mueve rápidamente. Es menos probable que se vean rayos X a distancias mayores, donde el gas puede circular más lentamente en un disco de acreción. La fría atmósfera del disco puede emitir luz óptica y ultravioleta, pero rara vez rayos X.

“Ver algo en rayos X ya te indica que estás bastante cerca de un agujero negro”, dice Kara. “Cuando ves una variación en una escala de tiempo de minutos, está más cerca del horizonte de sucesos, y todo eso está ante tu mente. va. Hay movimiento circular y cualquier cosa puede girar alrededor de un agujero negro”.

aumento de rayos X

Lo que sea que estaba creando el brillo de rayos X lo hacía a una distancia muy cercana del agujero negro, que los investigadores estiman que se encuentra a unos pocos millones de kilómetros del horizonte de sucesos.

Masterson y Kara buscaron modelos para diversos fenómenos astrofísicos que pudieran explicar los patrones de rayos X que observaron, incluida la posibilidad de la corona de un agujero negro.

“Una idea es que la corona se está bifurcando, tal vez oscilando hacia adelante y hacia atrás, y si comienza a contraerse, las oscilaciones se vuelven más rápidas a medida que las escalas se hacen más pequeñas”, dice Masterson. “Pero estamos en las primeras etapas de comprensión de las oscilaciones coronales”.

Un escenario más probable, y que los científicos comprenden mejor en términos de física, involucra a un héroe enano blanco.

“Estos objetos son realmente pequeños y bastante compactos, y nuestra hipótesis es que se trata de una enana blanca que se está acercando mucho a un agujero negro”, dice Masterson.

Según sus modelos, los investigadores estiman que la enana blanca podría tener una décima parte de la masa del Sol. Por el contrario, el propio agujero negro supermasivo tiene del orden de 1 millón de masas solares.

Cuando un objeto se acerca tanto a un agujero negro supermasivo, se espera que se emitan ondas gravitacionales, arrastrando al objeto más cerca del agujero negro. A medida que se acerca, la enana blanca se mueve más rápido, lo que podría explicar el aumento de la frecuencia de las oscilaciones de rayos X observadas por el equipo.

La enana blanca está prácticamente en camino de regreso y se estima que se encuentra a sólo unos pocos millones de kilómetros del horizonte de sucesos. Sin embargo, los investigadores predicen que la estrella no caerá. Si bien la gravedad del agujero negro puede atraer a la enana blanca hacia adentro, la estrella también está arrojando parte de su capa exterior hacia el agujero negro. Este sombreado actúa como un pequeño contragolpe, de modo que la enana blanca (un objeto increíblemente compacto) puede resistirse a cruzar el límite del agujero negro.

“Como las enanas blancas son pequeñas y compactas, es muy difícil separarlas, por lo que pueden estar muy cerca de un agujero negro”, dice Kara. “Si este escenario es correcto, está cerca del punto de inflexión de la enana blanca y es posible que veamos cómo se aleja más”.

El equipo planea continuar observando el sistema con telescopios existentes y futuros para comprender mejor la física extrema que actúa en el entorno interno del agujero negro. Están especialmente emocionados de estudiar este sistema tras el lanzamiento del detector de ondas gravitacionales espacial LISA, actualmente previsto para mediados de la década de 2030, porque las ondas gravitacionales que deberían abandonar el sistema estarán en un punto óptimo que LISA pueda detectar claramente. . .

“Una cosa que he aprendido de este medio es que nunca debemos dejar de verlo porque podría enseñarnos algo nuevo”, dice Masterson. “El siguiente paso es simplemente mantener los ojos abiertos”.