Agujeros Negros cazados por el radar

Astrónomos Europeos han conseguido por primera vez confirmar los efectos relativistas predichos por la teoría de la Relatividad de Albert Einstein para las cercanías de los Agujeros Negros, en la luz del fondo cósmico de rayos X. El grupo de científicos liderado por Günther Hasinger, director en el Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre en Garching, cerca de Munich, ha podido identificar la huella espectral de átomos de hierro. Concretamente han observado una línea de hierro muy fuerte y distorsionada por efectos relativistas, en el espectro promedio de un centenar de galaxias activas, cuya luz en rayos X fue emitida cuando el Universo tenía menos de la mitad de su edad actual.

El cielo entero está repleto de una radiación difusa muy energética: el fondo cósmico de rayos X. Los astrónomos han podido demostrar durante los últimos años que esta radiación está asociada en su práctica totalidad a astros individuales. De forma parecida, Galileo Galilei, a principios del siglo XVII, pudo resolver la luz difusa de la Vía Láctea en una miríada de estrellas individuales. El fondo de rayos X proviene de cientos de millones de Agujeros Negros supermasivos, alimentados por material en los centros de galaxias distantes. Puesto que los Agujeros Negros acretan (tragan) masa, los podemos observar durante su etapa de crecimiento a través del fondo de rayos X. En el Universo actual, encontramos Agujeros Negros gigantes en los centros de prácticamente todas las galaxias cercanas.

Cuando la materia se precipita hacia el abismo de un Agujero Negro, cae a su alrededor -como en un torbellino cósmico- a velocidades casi tan grandes como la de la luz. La materia se calienta tanto que emite su última “llamada de socorro” en forma de radiación muy energética, antes de desaparecer para siempre. Por consiguiente los agujeros negros, que deberían ser invisibles, dan lugar a los objetos más luminosos del universo, siempre que estén bien alimentados en el centro de las llamadas “galaxias activas”. Cada elemento químico de que está constituida la materia, emite rayos X de una longitud de onda característica y por consiguiente puede ser identificado a través de su huella espectral. Los átomos de hierro son particularmente útiles, ya que este metal es muy abundante en el cosmos y radia muy intensamente a temperaturas altas.

De forma parecida a los radares de carretera, con los que la policía identifica los vehículos que exceden los límites de velocidad, las velocidades relativistas de los átomos de hierro que circulan alrededor de un Agujero Negro se pueden medir a través de variaciones en la longitud de onda de la luz que emiten. La combinación de efectos predichos por las teorías especial y general de la Relatividad de Einstein hace que en la luz de rayos X que se produce alrededor de los Agujeros Negros, deba aparecer una huella distorsionada muy característica. La relatividad especial postula que los relojes en movimiento funcionan más lentamente, mientras que la relatividad general predice que los relojes funcionan también más lentamente en las proximidades de grandes masas. Ambos efectos dan lugar a un desplazamiento de la luz emitida por los átomos de hierro hacia longitudes de onda más largas en el espectro electromagnético.

Sin embargo, si observamos la materia girando en el llamado “disco de acreción”, la luz de los átomos que se acercan hacia nosotros aparece desplazada hacia longitudes de onda más cortas y mucho más brillante que la que producen los átomos que se alejan de nosotros. Estos efectos de la Relatividad son tanto más fuertes cuanto más cerca del agujero negro consigue acercarse la materia. Debido a la curvatura del espacio-tiempo, estos efectos Relativistas son más fuertes en Agujeros Negros que giran rápidamente. En los últimos años se han podido obtener medidas de líneas de hierro relativistas en unas pocas galaxias cercanas – por primera vez en 1995 con el satélite Japonés ASCA.

Ahora los investigadores liderados por Günther Hasinger del Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre en Alemania, junto al grupo de Xavier Barcons en el Instituto de Física de Cantabria (centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad de Cantabria) y Andy Fabian en el Instituto de Astronomía de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), han desvelado la huella relativista distorsionada de los átomos de hierro en la luz de rayos X promediada entre unos 100 Agujeros Negros lejanos del fondo de rayos X. Los astrofísicos han utilizado el observatorio de rayos X XMM-Newton de la Agencia Europea del Espacio ESA. Para ello apuntaron este instrumento hacia la constelación de la Osa Mayor durante más de 500 horas y descubrieron varios centenares de fuentes de rayos X muy débiles. Debido a la expansión del universo, las galaxias se alejan de nosotros a una velocidad que es mayor a mayor distancia y por consiguiente todas sus líneas espectrales aparecen a una longitud de onda distinta. Por tanto los astrónomos tuvieron que corregir en primer lugar la luz de rayos X de todos los objetos al sistema de referencia de nuestra Vía Láctea. Las medidas de las distancias a más de un centenar de objetos se obtuvieron con telescopio Americano Keck. Después de sumar la luz de todos los objetos, los investigadores se sorprendieron al encontrar de forma inesperada la intensísima señal con la característica forma ensanchada o distorsionada de la línea del hierro.

Con la intensidad de la señal han podido deducir la fracción de átomos de hierro en el material que está cayendo al Agujero Negro. Sorprendentemente, la abundancia química de hierro en el “alimento” de esos Agujeros Negros relativamente jóvenes es aproximadamente tres veces mayor que en nuestro Sistema Solar que, sin embargo, se ha creado mucho más tarde. Con ello se concluye que los centros de las galaxias en el universo primitivo debieron tener algún método particularmente eficiente para producir hierro, posiblemente gracias a que la actividad de formación estelar violenta “cocina” los elementos químicos muy rápidamente en las galaxias activas. La anchura de la línea indica que los átomos de hierro están radiando desde muy cerca del agujero negro, de tal forma que muy probablemente éstos tienen que estar girando a velocidades enormes. A esta conclusión han llegado también otros grupos que han comparado la energía en el fondo de rayos X con la masa total de Agujeros Negros “dormidos” en galaxias cercanas.

Publicación Original
Alina Streblyanska, Günther Hasinger, Alexis Finoguenov, Xavier Barcons, Silvia Mateos, Andy Fabian: XMM-Newton observations of the Lockman Hole: III. A relativistic Fe line in the mean X-ray spectra of type-1 and type-2 AGN, A&A Press Release AA/2004/1977, astro-ph/0411340.

Contactos
Prof. Dr. Günther Hasinger
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 (89) 30000-3401
Fax: +49 (89) 30000-3403
E-Mail: grhxray.mpe.mpg.de

Prof. Dr. Xavier Barcons
Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC)
Santander, Spain
Tel: +34 942 201461
E-Mail: barconsifca.unican.es

Prof. Dr. Andy Fabian
Institute of Astronomy
Cambridge, UK
Tel: +44 (1) 223-337548
E-Mail: acfast.cam.ac.uk