El observatorio de rayos X en órbita de la Agencia Espacial Europea, XMM-Newton, ha demostrado la existencia de un "vórtice gravitacional" alrededor de un agujero negro. El descubrimiento, ayudado por la misión de la matriz de telescopio espectroscópico nuclear NuSTAR de la NASA, resuelve un misterio queha eludido a los astrónomos durante más de 30 años y les permitirá mapear el comportamiento de la materia muy cerca de los agujeros negros. También podría abrir la puerta a futuras investigaciones sobre la relatividad general de Albert Einstein.
La materia que cae en un agujero negro se calienta cuando se hunde en su destino. Antes de que pase al agujero negro y se pierda de vista para siempre, puede alcanzar millones de grados. A esa temperatura arroja rayos X al espacio.
En la década de 1980, los astrónomos pioneros que usaron los primeros telescopios de rayos X descubrieron que los rayos X provenían de agujeros negros de masa estelar en nuestro parpadeo de galaxias. Los cambios siguen un patrón establecido. Cuando comienza el parpadeo, la atenuación y el re-brillopuede tardar 10 segundos en completarse. A medida que avanzan los días, las semanas y luego los meses, el período se acorta hasta que la oscilación se produce 10 veces por segundo. Luego, el parpadeo se detiene por completo.
El fenómeno se denominó Oscilación cuasi periódica QPO. "Se reconoció de inmediato que era algo fascinante porque proviene de algo muy cercano a un agujero negro", dijo Adam Ingram, Universidad de Amsterdam, Países Bajos, quien comenzótrabajando para comprender los QPO para su tesis doctoral en 2009.
Durante la década de 1990, los astrónomos comenzaron a sospechar que los QPO estaban asociados con un efecto gravitacional predicho por la relatividad general de Einstein: que un objeto giratorio creará una especie de vórtice gravitacional.
"Es un poco como retorcer una cuchara con miel. Imagine que la miel es espacio y que cualquier cosa incrustada en la miel será" arrastrada "por la cuchara giratoria", explicó Ingram. "En realidad, esto significa que todo lo que está en órbitaun objeto giratorio tendrá su movimiento afectado ". En el caso de una órbita inclinada," precesará ". Esto significa que toda la órbita cambiará de orientación alrededor del objeto central. El tiempo para que la órbita regrese a su condición inicial esconocido como ciclo de precesión.
En 2004, la NASA lanzó la Gravity Probe B para medir este llamado efecto Lense-Thirring alrededor de la Tierra. Después de un minucioso análisis, los científicos confirmaron que la nave espacial pasaría por un ciclo de precesión completo una vez cada 33 millones de años.
Sin embargo, alrededor de un agujero negro, el efecto sería mucho más notable debido al campo gravitacional más fuerte. El ciclo de precesión tomaría solo unos segundos o menos en completarse. Esto es tan cercano a los períodos de los QPO que los astrónomoscomenzó a sospechar un enlace.
Ingram comenzó a trabajar en el problema observando lo que sucedió en el disco plano de materia que rodea un agujero negro. Conocido como un disco de acreción, es el lugar donde el material gradualmente gira en espiral hacia el agujero negro. Los científicos ya habían sugerido que,cerca del agujero negro, el disco de acreción plano se hincha en un plasma caliente, en el cual los electrones son despojados de sus átomos anfitriones. Llamado flujo caliente interno, se reduce en tamaño durante semanas y meses a medida que el agujero negro lo come.Junto con sus colegas, Ingram publicó un artículo en 2009 sugiriendo que el QPO es impulsado por la precesión Lense-Thirring de este flujo caliente. Esto se debe a que cuanto más pequeño es el flujo interno, más cerca del agujero negro se acercaría y, por lo tanto, más rápidosería su ciclo de precesión Lense-Thirring. La pregunta era: ¿cómo probarlo?
"Hemos pasado mucho tiempo tratando de encontrar evidencia de armas de fuego para este comportamiento", dijo Ingram.
La respuesta es que el flujo interno está liberando radiación de alta energía que golpea la materia en el disco de acreción circundante, haciendo que los átomos de hierro en el disco brillen como un tubo de luz fluorescente. El hierro libera rayos X de una sola longitud de onda -- referido como "una línea espectral"
Debido a que el disco de acreción está girando, la línea de hierro tiene su longitud de onda distorsionada por el efecto Doppler. La emisión de línea desde el lado que se aproxima del disco se aplasta, se desplaza el azul, y la emisión de línea del material del disco que retrocede se estira.rojo desplazado. Si el flujo interno realmente está precesando, a veces brillará sobre el material del disco que se aproxima y otras sobre el material que retrocede, haciendo que la línea se tambalee hacia adelante y hacia atrás en el transcurso de un ciclo de precesión.
Ver este bamboleo es donde entró XMM-Newton. Ingram y sus colegas de Amsterdam, Cambridge, Southampton y Tokio solicitaron una observación de larga duración que les permitiera ver el QPO repetidamente. Eligieron el agujero negro H 1743-322,que exhibía un QPO de cuatro segundos en ese momento. Lo observaron durante 260,000 segundos con XMM-Newton. También lo observaron durante 70,000 segundos con el observatorio de rayos X NuSTAR de la NASA.
"La capacidad de alta energía de NuSTAR era muy importante", dijo Ingram. "NuSTAR confirmó el bamboleo de la línea de hierro, y además vio una característica en el espectro llamada 'joroba de reflexión' que agregó evidencia de precesión".
Después de un riguroso proceso de análisis de agregar todos los datos de observación juntos, vieron que la línea de hierro se tambaleaba de acuerdo con las predicciones de la relatividad general. "Estamos midiendo directamente el movimiento de la materia en un campo gravitacional fuerte cerca de un negroagujero ", dice Ingram.
Esta es la primera vez que el efecto Lense-Thirring se ha medido en un campo gravitacional fuerte. La técnica permitirá a los astrónomos mapear la materia en las regiones internas de los discos de acreción alrededor de los agujeros negros. También sugiere una nueva herramienta poderosa conpara probar la relatividad general.
La teoría de Einstein no ha sido probada en gran medida en campos gravitacionales tan fuertes. Entonces, si los astrónomos pueden comprender la física de la materia que fluye hacia el agujero negro, pueden usarla para probar las predicciones de la relatividad general como nunca antes, pero solo siEl movimiento de la materia en el disco de acreción puede entenderse completamente.
"Si puedes llegar al fondo de la astrofísica, entonces realmente puedes probar la relatividad general", dice Ingram. Una desviación de las predicciones de la relatividad general sería bienvenida por muchos astrónomos y físicos. Sería unseñal concreta de que existe una teoría más profunda de la gravedad.
Los telescopios de rayos X más grandes en el futuro podrían ayudar en la búsqueda porque son más potentes y podrían recolectar rayos X de manera más eficiente. Esto permitiría a los astrónomos investigar el fenómeno QPO con más detalle. Pero por ahora, los astrónomos pueden estar contentoscon haber visto la gravedad de Einstein jugando alrededor de un agujero negro.
"Este es un avance importante ya que el estudio combina información sobre el tiempo y la energía de los fotones de rayos X para resolver el debate de 30 años sobre el origen de los QPO. La capacidad de recolección de fotones de XMM-Newton fue fundamental en este trabajo", dijo Norbert Schartel, científico del proyecto de la ESA para XMM-Newton.
más información
Los resultados informados en este artículo se publican en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .
La Misión de Espejos X-Rayos de la Agencia Espacial Europea, XMM-Newton, se lanzó en diciembre de 1999. El satélite científico más grande que se haya construido en Europa, también es uno de los observatorios de rayos X más sensibles que se haya visto.Más de 170 espejos cilíndricos delgados como obleas dirigen la radiación entrante a tres telescopios de rayos X de alto rendimiento. La órbita de XMM-Newton lo lleva a casi un tercio del camino a la luna, permitiendo vistas largas e ininterrumpidas de objetos celestes.
NuSTAR es una misión de Small Explorer dirigida por Caltech en Pasadena y administrada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, también en Pasadena, para la Dirección de Misión Científica de la NASA en Washington.
Para obtener más información sobre NuSTAR, visite
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por NASA / Laboratorio de Propulsión a Chorro . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :