Tal como la sangre no puede estar al mismo tiempo en el atrio y en los ventrículos del corazón humano, los agujeros negros parecen recolectar y calentar materia a su alrededor y luego “escupirla” a inusitada velocidad al espacio.
La imagen (difundida en un comunicado de la Universidad de Groningen) alude al descubrimiento firmado por tres astrónomos y astrofísicos argentinos que parecen haber logrado dilucidar, a partir de cientos de mediciones reunidas durante 15 años, un extraño fenómeno observado en ciertos agujeros negros: cómo se producen los jets o “chorros” de materia y energía que emiten a velocidad cercana a la de la luz. Acaba de publicarse en Nature Astronomy (https://doi.org/10.1038/s41550-022-01617-y). Ellos vieron que hay un acoplamiento entre la dinámica de la corona y los jets. Casi como si fuera un latido cósmico.
El estudio buceó en un enorme conjunto de observaciones realizadas, entre otros, por el satélite Rossi. “Era un aparato muy especializado en estudios temporales; o sea, de variabilidad de estos objetos, y miraba diariamente distintos agujeros negros conocidos y estrellas de neutrones”, cuenta Federico García, uno de los autores, investigador del Conicet en el Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR). Graduado en la Universidad Nacional de La Plata y doctorado en el IAR, tras una estadía en París se fue a trabajar con el grupo que lidera Mariano Méndez, laureado astrónomo y astrofísico también argentino, pero que investiga en la Universidad de Groningen, Holanda, desde hace alrededor de 25 años. El tercer argentino es Diego Altamirano.
“Nos conocimos en unas ‘escuelas’ [encuentros] que organiza para impulsar la astrofísica de rayos X cuando empezaba mi doctorado –agrega García–. Estuve dos años trabajando allá y durante ese período impulsamos esta investigación”.
Entre los objetos observados, estaba el sistema binario GRS 1915+105, “formado por un agujero negro y una estrella, orbitando uno en torno del otro –explica Gastón Giribet, docente de la UBA e investigador del Conicet en física teórica, agujeros negros y teoría de cuerdas, que no participó en el trabajo–. Es un sistema muy interesante en muchos aspectos; en especial, porque el agujero negro que lo compone rota además sobre su propio eje a velocidades cercanas a la de la luz”.
Con esos datos a disposición, los científicos analizaron 600 de las más de mil observaciones, que eran las que mostraban oscilaciones. “Estudiamos sus propiedades y las cruzamos con los datos reunidos por el Ryle Telescope, un conjunto de radiotelescopios británico, que tomaba datos casi todos los días y se habían realizado casi al mismo tiempo –explica García–. Encontramos correlaciones muy fuertes. Algunas eran conocidas, pero pudimos profundizarlas y dilucidar sus detalles. Así, nos dimos cuenta de que ocurría un acoplamiento entre lo que se llama ‘la corona de acreción’ y los ‘jets’ o chorros [de materia y energía] que estos microquasars [fuentes de radio cuasiestelares que se presentan en agujeros negros equivalentes a pocas masas solares] emiten a velocidades cercanas a la de la luz”.
Este fascinante objeto se encuentra en la Via Láctea, a unos 36.000 años luz de distancia, y fue descubierto hace unas tres décadas. Un dato curioso es que el que propuso por primera vez el nombre de “microquasar” fue otro argentino, el astrofísico Félix Mirabel, en un artículo de Nature. “Lo que él postuló es que en la galaxia hay agujeros negros de masas estelares, o sea, del orden de una a diez masas solares, que se comportan igual que los de los centros de las galaxias, varios millones de veces mayores –cuenta García–. La fuente que más estudió es precisamente esta, GRS 1915+105, vio que emitía los jets y pudo medir que viajaban a velocidades cercanas a la luz”.
Siempre se afirma que nada de lo que atraviesa la frontera de los agujeros negros vuelve a salir. ¿Entonces, de dónde emergen estos jets? “El entorno de los agujeros negros sí puede emitir materia –precisa García–. O sea, lo que hace el agujero negro es acelerar el material que va cayendo, lo colima [lo ordena en un haz de rayos paralelos] y lo emite a lo largo de sus polos”.
La dinámica por la cual se forman, se coliman y se aceleran las partículas en estos “chorros relativistas” todavía es desconocida y, por lo tanto, difícil de modelar. “No está claro cómo funciona –advierte el astrónomo–. Ahí entra nuestro trabajo, porque encontramos correlaciones muy fuertes, que se cumplen a lo largo de mucho tiempo”.
Lo que pudieron desentrañar es que más o menos en el Ecuador del agujero negro se forma un “disco de acreción” (gas y polvo que gira en torno de su eje). Como tiene cierta viscosidad, la materia va perdiendo velocidad y cayendo hacia órbitas cada vez más cerradas, más cerca del agujero negro. Ese proceso libera mucha energía y el material, que está muy caliente, brilla en los rayos X, y a su vez se ioniza (se convierte en átomos con carga eléctrica) y forma una corona (así llamada porque tiene propiedades similares a la del Sol), un material liviano, delgado, de electrones muy calientes. “Estos electrones que están cerca del agujero negro tienen temperaturas muy altas, forman la corona y a su vez, parte del material en algún momento se colima y es eyectado hacia el espacio a través de estos chorros –detalla García–. Es decir, encontramos que antes que este material sea eyectado, primero la corona tuvo que enfríarse y achicarse".
Latido cósmico
Cuando los jets están muy activos, la corona está más fría y es más pequeña, mientras que cuando están apagados, casi no hay radiación en ondas de radio y la corona está muy caliente. “En los rayos X vemos que es mucho más intensa y más grande –destaca el astrónomo–. Y encontramos un patrón que se repite unas doce veces en esos quince años: la corona está muy caliente y en un momento empieza a enfriarse lo suficiente como para que aparezca de golpe esa radiación. Es como que hay una parte de la corona que se condensa, se hace chiquita, se acerca mucho al agujero negro y es lanzada en los chorros. Pasa un cierto tiempo y los jets desaparecen, la corona empieza a crecer nuevamente y a calentarse. Eso se repite cada varios meses”.
Los científicos no ofrecen explicaciones de porqué se da este extraño fenómeno. “Simplemente especulando, pensamos que tiene que ver con algo que ocurre en el campo magnético –arriesga García–. Porque vimos que la energía térmica que posee la corona no es suficiente para explicar toda la energía que emite el sistema. Quiere decir que tiene que haber otra fuente de energía que no estamos viendo.. Lo que proponemos es que el campo magnético, cuando está muy desordenado, la vuelve más caliente y más expandida. En algún momento, empieza a perder su energía y la corona se comprime; a su vez, en ese ordenamiento, es capaz de acelerar más eficientemente las partículas y emitirlas en los jets. Para eso se necesita un campo magnético organizado, que permita que las partículas viajen de manera ordenada y puedan salir. Pero esto es pura especulación, no es algo que podemos leer en los datos”.
"Suena lógico, pero desde hace 20 años existe un debate acerca de si la corona y los jets son la misma cosa. Ahora vemos que surgen uno después del otro y que el chorro sigue a la corona", afirma el primer autor del trabajo, Méndez, del Kapteyn Institute, de Holanda, en un comunicado. "Fue un veradero desafío demostrar esta naturaleza secuencial. Tuvimos que comparar observaciones de años con otras de segundos, y muy altas energías con otras muy bajas".
“Los agujeros negros (en especial, los que rotan lo suficiente) emiten jets de materia y energía. A su vez, están rodeados de un disco de materia que se arremolina en torno del astro (que es muy compacto) a velocidades vertiginosas; se calienta mucho y se ioniza formando un plasma. Además, debido al altísimo campo gravitatorio cerca del astro, el tiempo allí pasa más lento, lo que produce que la materia en acreción emita luz con su color (su frecuencia) “corrida hacia el rojo –explica Giribet–. Antes de emitir esos chorros, se especula, los agujeros negros acumulan una corona de la que proviene una alta emisión de rayos X. Este resultado reciente corresponde a los intentos de un equipo por confirmar esta secuencia (primero viene la formación de la corona y luego la emisión del jet). Encontraron evidencia que parece respaldarlo. Muestra que hay una fuerte correlación entre la emisión en rayos X de la corona en torno del agujero negro y la emisión del jet. También estudian la temperatura del disco de acreción y las correlaciones indican que hay una transferencia de la parte interior de la corona hacia el chorro”.
“Es un trabajo importante, porque es el primer estudio multifrecuencia en un rango de longitudes de onda que va desde los Rayos X, pasando por el infrarrojo hasta el radio, y en escalas de tiempo que se prolongan desde fracciones de segundos hasta una década. O sea, es muy, muy completo”, agrega el propio Mirabel, pionero en los estudios de este microquasar.
Según explica el científico, GRS 1915+105 es un objeto muy propicio para estudiar este tema, el de la correlación o anticorrelación entre los fenómenos de acreción y eyección en agujeros negros. “El término microquasar lo propuse en una publicación de 1992, en Nature, para sugerir que en estos agujeros negros de masa estelar (porque equivalen a ‘apenas’ 12 masas solares), la fenomenología es similar a la que debería existir de acuerdo con las teorías existentes en los quasares, o sea en los agujeros negros súper masivos que se venían observando ya desde la década del 60”, comenta.
La gran mayoría de estos monstruos cósmicos tienen jets, pero no de forma continua. “Lo importante es que todos los fenómenos físicos en las inmediaciones de los agujeros negros tienen escalas espaciales y temporales proporcionales a su masa. O sea, que según las teorías, tendrían que ser esencialmente los mismos, tanto en los súper masivos como en estos microquasares –detalla Mirabel–. Lo que sucede es que en estos últimos se pueden observar fenómenos en escalas humanas; es decir, en segundos o años, mientras que en los quasares requerirían centenas, miles de años, algo que todavía no pudimos hacer, porque los medios con que contamos actualmente no nos permitirían saber cómo ocurrieron los fenómenos de acreción y eyección hace 5000 años”.
En1994, Luis Felipe Rodríguez y Mirabel postularon en un artículo que lo que habían observado en GRS 1915+105 había sido una “explosión” (blow up) de la corona. Este nuevo estudio no solo lo confirma, sino que profundiza en la dinámica que la hace posible. “Es un trabajo de profundización de esta fenomenología –subraya Mirabel–. Ahora entendemos que solamente una pequeña fracción del 10% presentan estos fenómenos, porque hay muchos que en este momento se encuentran en un estado de coalescencia, más quietos”.
Para hacerse una idea de la violencia de estos fenómenos valga mencionar que tienen una energía equivalente a la que poseería una máquina que acelerara un tercio de la masa de la Luna a 99% la velocidad de la luz.
“Esto permite entender mejor el mecanismo de generación del jet (en el que intervienen tanto la transferencia de materia del disco al jet, el campo magnético en la región cercana al agujero negro y el impulso angular de la rotación del astro)”, concluye Giribet.
Cerrar sesión