Imágenes cada vez más cercanas al horizonte de eventos - Ars Technica

Imágenes cada vez más cercanas al horizonte de eventos - Ars Technica

Imagen de un disco brillante que rodea una esfera oscura.
Agrandar / La concepción artística de una masa de materia caliente que orbita cerca de la superficie de un agujero negro. A esta distancia, su órbita está influenciada por el giro del agujero negro.

Mientras que los agujeros negros se tragan cualquier luz más allá de su horizonte de eventos, el área fuera del horizonte de eventos tiende a emitir mucha luz. Esto se debe a que el material que cae hacia el agujero negro es extremadamente energético, ya que arroja un impulso angular y se estrella contra otro material en órbita alrededor del agujero negro. Entonces, si bien no podemos obtener imágenes de un agujero negro directamente, podemos inferir algunas cosas sobre sus propiedades utilizando la luz del entorno que crea.

Esta semana se publicaron dos artículos que bordean el área cercana al horizonte de eventos, que muestran los eventos en un área que incluye algunas de las órbitas estables más cercanas al agujero negro. Y, al hacerlo, uno de ellos encuentra que un agujero negro supermasivo está girando tan rápido que una ubicación en su superficie se movería aproximadamente a la mitad de la velocidad de la luz.

Ecos de una corona

Ambos papeles aprovechan los arrebatos periódicos que ocurren cuando el agujero negro comienza a alimentarse de material nuevo. Ese material se dirige al agujero a través de una estructura plana centrada en el agujero negro llamado disco de acreción. Su llegada calienta el disco, hace que el agujero negro se ilumine y provoca cambios en el entorno local. Las preguntas en las que se enfocan estos dos documentos es qué nos pueden decir estos cambios sobre el agujero negro y el entorno cercano.

Uno de los estudios se centra en un agujero negro de masa estelar, o uno que suele ser menos de 10 veces la masa del Sol. En respuesta a un poco de materia infaling, uno de estos agujeros negros creó un evento transitorio llamado MAXI J1820 + 070, que recibe parte de su nombre del Monitor de la Estación Espacial Internacional del instrumento de imagen de rayos X, o MAXI. El descubrimiento del evento fue seguido por observaciones usando una pieza diferente de hardware basado en ISS, el Explorador de Composición Interior de la estrella Neutron (o NICER). NICER tiene la capacidad de realizar mediciones muy rápidas de los rayos X provenientes de fuentes astronómicas, lo que lo hace ideal para rastrear cambios a corto plazo en un objeto.

En este caso, se utilizó NICER para realizar lo que se llama "análisis de reverberación". Esta técnica se basa en el hecho de que, además del disco de acreción, los agujeros negros tienen una corona, que es una burbuja de material energético por encima y por debajo del plano del disco. Esta corona producirá rayos X propios, que los instrumentos pueden detectar. Pero esos rayos X también entran en el disco de acreción, y algunos de ellos se reflejan hacia nosotros. Estas reverberaciones de luz pueden decirnos algo acerca de los detalles del disco de acreción.

Misterio resuelto

En este caso, resolvieron un poco de misterio. En los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, las imágenes habían sugerido que el disco de acreción se extendía hasta la órbita estable más cercana posible alrededor del agujero negro. Pero las mediciones de los agujeros negros de masa estelar indicaron que el borde del disco de acreción estaba mucho más alejado. Ya que no había razones obvias por las cuales la física debería cambiar con el tamaño, estas medidas fueron un poco confusas.

El nuevo análisis muestra que hay características y constantes variables de las emisiones de rayos X de MAXI J1820 + 070. Las características constantes sugerían que el disco de acreción, que proporciona los ecos, no cambiaba su ubicación en absoluto; en cambio, las características variables sugieren que, a medida que el agujero negro se alimenta, su corona se vuelve más compacta, cambiando así la fuente de los rayos X. Los detalles de la señal constante sugieren que el disco de acreción está mucho más cerca del agujero negro, lo que hace que las mediciones coincidan con lo que hemos aprendido de las versiones supermasivas.

Una estrella es asesinada

En tierras supermasivas, tenemos ASASSN-14li, descubierto por All-Sky Automated Survey para SuperNovae. Este arrebato tenía las características asociadas con lo que se llama un "evento de interrupción de la marea", en el que la gravedad del agujero negro desgarra una estrella que por casualidad se acerca demasiado. Sin embargo, las observaciones de seguimiento mostraron que había una estructura peculiar en la señal: cada 130 segundos, se iluminó brevemente.

Si bien la señal no se destacó en el fondo de la destrucción de la estrella, estuvo presente en datos de tres instrumentos diferentes, lo que sugiere que algo estaba sucediendo periódicamente. La explicación más simple es que parte de la estrella terminó en órbita alrededor del agujero negro. La frecuencia de estas órbitas dependería de la masa y el giro del agujero negro, así como de la distancia entre el agujero negro y el objeto que lo orbita. El giro de un agujero negro es difícil de medir de otra manera, por lo que los investigadores realizaron múltiples simulaciones probando diferentes configuraciones para el sistema de agujero negro.

La masa del agujero negro se estimó en función del tamaño de la galaxia en sus hábitos. El giro y la distancia orbital tienen una relación simple: cuanto más cerca está un agujero negro, más lento puede girar el agujero negro para que la órbita del objeto tenga la misma velocidad. Entonces, al calcular la órbita más cercana posible, pudieron proporcionar un valor mínimo en el giro.

Los cálculos sugirieron que el agujero negro está girando al menos a una velocidad donde un punto en su superficie se movería aproximadamente a la mitad de la velocidad de la luz. (Para el contexto, un agujero negro supermasivo puede ser lo suficientemente grande como para que su radio sea aproximadamente el mismo que el radio orbital de Saturno o Neptuno). Si el material está orbitando más lejos, entonces el agujero negro está girando aún más rápido.

Si bien aún no podemos obtener imágenes de los agujeros negros directamente, los dos documentos muestran que hay suficientes eventos ocurriendo en los agujeros negros en algún lugar del Universo para darnos muchos datos sobre su comportamiento. Y, a través de esto, ahora podemos sacar algunas conclusiones sobre las propiedades de los agujeros negros, así como el material que está esperando para unirse a ellos. También estamos empezando a obtener cierta información de las detecciones de ondas gravitacionales, que brindan información sobre la masa y los giros de los agujeros negros que colisionan. Combinados, estos datos aseguran que "negro" no signifique tierra desconocida.

Naturaleza, 2019. DOI: 10.1038 / s41586-018-0803-x
Ciencia, 2019. DOI: 10.1126 / science.aar7480 (Acerca de los DOI).

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