Rapidly rotating black hole accreting matter

La veloz rotación de un agujero negro encierra la historia de su galaxia

28 febrero 2013

Los observatorios espaciales XMM-Newton de la ESA y NuSTAR de la NASA han hallado, en el corazón de una galaxia espiral, un agujero negro supermasivo girando casi a la velocidad de la luz, ofreciendo nueva información sobre cómo crecen las galaxias.

Se cree que los agujeros negros supermasivos acechan desde los centros de casi todas las grandes galaxias, y los científicos consideran que la evolución de las galaxias está inextricablemente ligada a la evolución de sus agujeros negros.  

Se estima que la velocidad de rotación de un agujero negro refleja la historia de su formación. En esta imagen, un agujero negro que crece de manera constante, alimentado por un flujo uniforme de material en espiral que cae sobre él, no debería girar a esas altas velocidades. La rotación veloz podría también ser el resultado de la fusión de dos agujeros negros más pequeños. 

Por otro lado, un agujero negro zarandeado por pequeñas aglomeraciones de material golpeando desde todas direcciones, terminaría rotando de un modo relativamente más lento. 

Estos escenarios reflejan la propia formación de la galaxia, dado que una fracción de toda la materia atraída hacia la galaxia acaba llegando al agujero negro. Por este motivo, los astrónomos están deseando medir los índices de rotación de los agujeros negros en el corazón de las galaxias. 

Una forma de hacerlo es observar los rayos X emitidos por el gas caliente de un disco justo fuera del “horizonte de sucesos”, los límites que rodean a un agujero negro más allá de los cuales nada, ni siquiera la luz, puede escapar. 

En particular, los átomos calientes de hierro producen una fuerte señal de rayos X en un rango de energía muy específico, desdibujado por la rotación del agujero negro. La naturaleza de este emborronamiento puede utilizarse para inferir el índice de rotación. 

Utilizando esta técnica, observaciones previas han sugerido que en algunas galaxias hay agujeros negros que giran a velocidades extremadamente altas. Sin embargo, confirmar el índice de rotación ha sido muy difícil, ya que el espectro de los rayos X también puede emborronarse debido a la presencia de absorbentes nubes de gas que se encuentren cerca del disco. Hasta ahora, ha sido imposible separar ambos escenarios. 

Durante cerca de 36 horas, en Julio de 2012, el satélite XMM-Newton de la ESA y el satélite de la NASA NuSTAR –Nuclear Spectroscopic Telescope Array– observaron simultáneamente la galaxia espiral NGC 1365. XMM-Newton capturó los rayos X de energía más baja, mientras que NuSTAR captó los datos de energías más altas. 

Los datos combinados probaron ser la clave para descifrar el enigma. Un modelo de agujero negro girando hace una clara predicción de la proporción de rayos X de altas energías y rayos X de bajas energías. Lo mismo puede decirse para las nubes absorbentes de gas. 

Pero hay que destacar que las predicciones son diferentes y los nuevos datos solo coinciden con un escenario de agujero negro en rotación. 

“Podemos descartar por completo el modelo de absorción”, afirma Guido Risaliti, INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri (Italia), quien lideró esta investigación. 

“Ahora que sabemos cómo medir índices de rotación de agujeros negros, podemos usarlos para inferir la evolución de sus galaxias anfitrionas”.

El agujero negro de NGC 1365 gira a una velocidad cercana a la de la luz. Esto sugiere que la galaxia ha crecido de manera continua a lo largo del tiempo, con un flujo constante de material cayendo al agujero negro central. 

Sin embargo, los astrónomos aún no pueden descartar un único y enorme evento en el que dos galaxias y, posteriormente, sus agujeros negros, se hubieran fusionado, produciendo una súbita aceleración del agujero negro supermasivo resultante.

Medir la velocidad de rotación del agujero negro también nos facilita una nueva forma de probar la relatividad general. Publicada en 1915, la relatividad general es la descripción que Albert Einstein hace de la gravedad. Predice efectos que pueden verse con más facilidad en campos gravitatorios extremadamente fuertes, como los encontrados cerca de los agujeros negros. 

“Tanto la física como la astrofísica se benefician de estos resultados” afirma el Dr. Risaliti, que ya está aplicando la técnica de medición de rayos X en varias galaxias. 

“El resultado es un gran ejemplo de la sinergia que puede alcanzarse cuando se utilizan conjuntamente misiones espaciales complementarias. Habría sido imposible obtener estos resultados sin el tándem formado por los dos satélites trabajando juntos”, dice Norbert Schartel, Científico responsable del proyecto XMM-Newton de la ESA. 

 

Nota para los editores

“A rapidly spinning supermassive black hole at the centre of NGC 1365” by G. Risaliti et al. is published in Nature 28 February 2013; doi:10.1038/nature11938

The European Space Agency's X-ray Multi-Mirror Mission, XMM-Newton, was launched in December 1999. It is the biggest scientific satellite to have been built in Europe and uses over 170 wafer-thin cylindrical mirrors spread over three high throughput X-ray telescopes. Its mirrors are among the most powerful ever developed. XMM-Newton's orbit takes it almost a third of the way to the Moon, allowing for long, uninterrupted views of celestial objects. The scientific community can apply for observing time on XMM-Newton on a competitive basis.

NuSTAR is a Small Explorer mission led by the California Institute of Technology in Pasadena and managed by NASA's Jet Propulsion Laboratory, also in Pasadena, for NASA's Science Mission Directorate in Washington.

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Guido Risaliti
INAF–Osservatorio Astrofisico di Arcetri
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