Inesperadas fulguraciones periódicas ayudan a comprender la acreción de los agujeros negros

XMM-Newton, el observatorio de rayos X más potente hasta la fecha, descubrió unos misteriosos destellos procedentes del agujero negro activo en el núcleo de la galaxia GSN 069, a unos 250 millones de años luz. El 24 de diciembre de 2018, se vio que de repente aumentaba el brillo de la fuente hasta un factor de 100, para regresar a sus niveles habituales al cabo de una hora y volver a iluminarse nueve horas después. 

“Fue algo totalmente inesperado”, reconoce Giovanni Miniutti, del Centro de Astrobiología de Madrid, y autor principal de un nuevo artículo publicado hoy en Nature. 

“Los agujeros negros gigantes suelen fluctuar como una vela, pero los cambios rápidos y repetitivos observados desde diciembre en GSN 069 son algo completamente novedoso”. 

Nuevas observaciones efectuadas con XMM-Newton y con el observatorio de rayos X Chandra de la NASA durante el par de meses siguientes confirmaron que el agujero negro seguía manteniendo el ritmo, con nuevas emisiones casi periódicas de rayos X cada nueve horas. Los investigadores han dado a este nuevo fenómeno el nombre de “erupciones cuasi periódicas”, o QPE (quasi-periodic eruptions).

“La emisión de rayos X se debe al material que absorbe el agujero negro y se calienta durante el proceso”, explica Giovanni. 

“Existen distintos mecanismos en el disco de acreción que podrían dar lugar a este tipo de señal cuasi periódica y que podrían estar asociados a inestabilidades en el flujo de acreción cerca del agujero negro central. De forma alternativa, las erupciones podrían deberse a la interacción del material del disco con un segundo cuerpo: otro agujero negro o quizá el remanente de una estrella previamente perturbada por el agujero negro”. 

Aunque hasta ahora no se habían observado, estas fulguraciones periódicas podrían ser bastante comunes en el universo, de acuerdo con Giovanni y sus colaboradores. Es posible que el fenómeno no se hubiera identificado hasta ahora debido a que la mayoría de los agujeros negros en el núcleo de galaxias lejanas, con masas de millones a miles de millones de veces mayores que la de nuestro Sol, son mucho más grandes que el que se halla en GSN 069, que es tan solo unas 400.000 veces más masivo que el Sol. 

Cuanto más grande y masivo es el agujero negro, más lentas son las fluctuaciones que muestra en su brillo, por lo que un agujero negro supermasivo típico erupcionaría no cada nueve horas, sino cada varios meses o años. Esto dificultaría enormemente su detección, ya que las observaciones rara vez se prolongan durante periodos de tiempo tan largos. 

Pero aún hay más. Las erupciones cuasi periódicas como las detectadas en GSN 069 podrían constituir un marco natural para interpretar algunos enigmáticos patrones observados en una fracción significativa de agujeros negros activos, cuyo brillo parece variar demasiado rápido como para que se explique fácilmente a partir de los modelos teóricos actuales. 

“Conocemos numerosos agujeros negros masivos cuyo brillo aumenta o disminuye en factores importantes en cuestión de días o meses, aunque sería de esperar que variasen a un ritmo mucho menor”, apunta Giovanni. 

“Pero si parte de esta variabilidad corresponde a las fases de aumento o disminución similares a las descubiertas en GSN 069, la rápida variabilidad de estos sistemas, que ahora mismo no parece plausible, podría darse de forma natural. A medida que avancen los estudios y obtengamos nuevos datos veremos si esta analogía realmente es válida”.

Las erupciones cuasi periódicas detectadas en GSN 069 también explicarían otra misteriosa propiedad observada en la emisión de rayos X de prácticamente todos los agujeros negros supermasivos en fase de acreción: el llamado “exceso blando”. Consiste en la emisión mayor de bajas energías de rayos X, y no hay consenso en cuanto a su causa, aunque la teoría más compartida hace referencia a una nube de electrones que se calienta cerca del disco de acreción. 

Al igual que otros agujeros negros similares, GSN 069 muestra este tipo de exceso blando de rayos X durante las emisiones, pero no entre erupciones. 

“Puede que estemos siendo testigos en tiempo real de la formación de un exceso blando, lo que arrojaría luz sobre su origen físico”, añade Richard Saxton, del equipo de operación de XMM-Newton en el centro de astronomía de la ESA en España y coautor del artículo. 

“Ahora mismo no está claro cómo se crea la nube de electrones, pero estamos intentando identificar el mecanismo estudiando los cambios en el espectro de rayos X de GSN 069 durante las erupciones”. 

El equipo ya está tratando de aislar las propiedades que definían GSN 069 en el momento en que se detectaron por primera vez las erupciones periódicas para buscar más casos de estudio. 

“Uno de nuestros objetivos inmediatos es buscar erupciones cuasi periódicas de rayos X en otras galaxias para avanzar en nuestra comprensión del origen físico de este nuevo fenómeno”, añade Margherita Giustini, del Centro de Astrobiología de Madrid y coautora del estudio.  

“GSN 069 es una fuente fascinante y podría convertirse en una referencia en el campo de la acreción de agujeros negros”, vaticina Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton de la ESA. 

Este descubrimiento no habría sido posible sin las capacidades del observatorio XMM-Newton. 

“Estas erupciones se producen en la parte de baja energía de la banda de rayos X, donde XMM-Newton es imbatible. Está claro que tendremos que utilizar el observatorio de nuevo si queremos encontrar más eventos como este en el futuro”, concluye Norbert.

Notas para los editores

El artículo “Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus”,de G. Miniutti et al., está publicado en la revista Nature. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1556-x 

El equipo de investigación internacional empleó datos astronómicos de los observatorios de rayos X XMM-Newton de la ESA y Chandra y Swift de la NASA, el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, el Karl G. Jansky Very Large Array de NRAO en Nuevo México (Estados Unidos), el Australia Telescope Compact Array de CSIRO en Australia, y el telescopio de radio MeerKAT de SARAO en Sudáfrica. 

Se puede obtener más información sobre este descubrimiento en el blog de Nature

Para más información:

Giovanni Miniutti
Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)
Madrid, Spain
Email: gminiutti@cab.inta-csic.es

Richard Saxton
Telespazio-Vega UK for ESA
XMM-Newton Science Operations Centre
European Space Agency
Email: richard.saxton@sciops.esa.int

Margherita Giustini
Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)
Madrid, Spain
Email: mgiustini@cab.inta-csic.es

Norbert Schartel
XMM-Newton project scientist
European Space Agency
Email: norbert.schartel@sciops.esa.int