XMM-Newton cartografía los alrededores de un agujero negro

La mayoría de los agujeros negros resultan demasiado pequeños en el cielo como para que podamos vislumbrar su entorno inmediato, aunque sí podemos explorar estos misteriosos objetos observando el comportamiento de la materia a medida que se acerca y cae en ellos.

Cuando el material se aproxima a un agujero negro, se calienta y emite rayos X que, por su parte, reverberan y provocan un eco al interactuar con el gas circundante. Estas regiones del espacio están fuertemente distorsionadas y deformadas debido a la naturaleza extrema y a la fortísima gravedad del agujero negro.

Por primera vez, los investigadores han utilizado XMM-Newton para hacer un seguimiento de estos ecos de luz y cartografiar los alrededores de un agujero negro en el núcleo de una galaxia activa. Esta galaxia, IRAS 13224-3809, constituye una de las fuentes de rayos X más variables del firmamento, al experimentar enormes y rápidas fluctuaciones en su brillo, de un factor de 50 en pocas horas.

“Todos sabemos cómo el eco de nuestra voz suena distinto cuando hablamos en un aula de cuando lo hacemos en el interior de una catedral; esto se debe a la geometría y a los materiales de las salas, que hacen que el sonido se comporte y rebote de forma diferente”, explica William Alston, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y autor principal del nuevo estudio.

“De un modo parecido, podemos observar cómo se propagan los ecos de la radiación de rayos X en las proximidades de un agujero negro para inferir la geometría de una región y el estado de una acumulación de materia antes de que desaparezca en la singularidad. Sería como una especie de ecolocalización cósmica”.

Como la dinámica del gas que cae en el agujero negro está fuertemente asociada a las propiedades de este, William y sus colaboradores también pudieron determinar la masa y la rotación del agujero central de la galaxia observando las propiedades de la materia a medida que giraba hacia su interior.

La espiral de materia forma un disco mientras se adentra en el agujero negro. Por encima del disco se halla una región de electrones muy calientes, con temperaturas de alrededor de mil millones de grados, denominada corona. Aunque los científicos esperaban ver los ecos de la reverberación utilizados para cartografiar la geometría de la región, también se toparon con algo inesperado: la propia corona cambiaba de tamaño con muchísima rapidez, en cuestión de días.

“A medida que la corona cambia de tamaño, también lo hace su eco luminoso, algo así como si el techo de la catedral subiera y bajara, e hiciera que variase el eco de nuestra voz”, añade William.

“Al seguir los ecos luminosos pudimos seguir también los cambios de la corona y, lo que es aún más importante, obtuvimos valores mucho mejores de la masa y la rotación del agujero negro de los que habríamos podido determinar si la corona no cambiara de tamaño. Sabemos que la masa del agujero negro no puede fluctuar, así que cualquier cambio en el eco tiene que deberse al entorno gaseoso”.

El estudio empleó la mayor observación de un agujero negro en acreción jamás obtenida con XMM-Newton, recopilada a lo largo de 16 órbitas entre 2011 y 2016, y que sumaba un total de dos millones de segundos: más de 23 días.

En combinación con la fuerte y rápida variabilidad del propio agujero negro, esto permitió a William y a sus colaboradores diseñar un modelo de los ecos en escalas de un día.

La región explorada en este estudio no es accesible para observatorios como el Telescopio de Horizonte de Sucesos, que logró la primera imagen de gas en las inmediaciones de un agujero negro, concretamente el situado en el centro de la galaxia masiva cercana M87. El resultado, basado en observaciones efectuadas con radiotelescopios de todo el mundo en 2017 y publicado el año pasado, se convirtió de inmediato en una sensación.
 
“La imagen del Telescopio de Horizonte de Sucesos se obtuvo con un método conocido como interferometría, una técnica maravillosa que solo funciona con los poquísimos agujeros negros supermasivos próximos a la Tierra, como el de M87 y los de nuestra galaxia, la Vía Láctea, porque su tamaño aparente en el cielo es lo bastante grande como para que el método funcione”, admite otro de los autores, Michael Parker, investigador de la ESA en el Centro Europeo de Astronomía Espacial, situado cerca de Madrid.

“Por el contrario, nuestro método es capaz de estudiar cientos de agujeros negros supermasivos cercanos que consumen materia de forma activa, y este número aumentará significativamente con el lanzamiento del satélite Athena de la ESA”.

Caracterizar el entorno que rodea los agujeros negros es uno de los principales objetivos científicos de la misión Athena de la ESA, cuyo lanzamiento está previsto para principios de la década de 2030 y que desvelará los secretos del universo caliente y energético.

Medir la masa, la rotación y la velocidad de acreción de una amplia muestra de agujeros negros es clave para comprender la gravedad a través del cosmos.

Además, como los agujeros negros supermasivos están muy relacionados con las propiedades de la galaxia anfitriona, estos estudios también son clave para avanzar en nuestro conocimiento sobre la formación y evolución de las galaxias a lo largo del tiempo.

“El gran conjunto de datos proporcionado por XMM-Newton ha sido esencial para llegar a este resultado”, explica Norbert Schartel, científico del Proyecto XMM-Newton de la ESA.

“El rastreo de la reverberación es una técnica apasionante que promete revelar mucha información sobre los agujeros negros y el universo más lejano en los próximos años. Espero que XMM-Newton lleve a cabo nuevas campañas de observación similares con muchas más galaxias activas, de forma que el método esté perfectamente asentado para cuando se lance Athena”.

Notas para los editores

El artículo “A dynamic black hole corona in an active galaxy through X-ray reverberation mapping”, de W. N. Alston et al., está publicado en la revista Nature Astronomy.

El estudio utiliza datos recopilados por la Cámara Europea de Imágenes de Fotones (EPIC) de XMM-Newton.

Para más información:

William Alston
Institute of Astronomy
University of Cambridge, UK
Correo electrónico: wna@ast.cam.ac.uk

Michael Parker
European Space Agency
European Space Astronomy Centre
Villanueva de la Cañada, Madrid, Spain
Correo electrónico: Michael.Parker@esa.int

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