Diagrama del proceso de reflexión en el agujero negro Cygnus X-1. La luz emitida por el chorro se muestra en azul, lo que decimos que proviene de una fuente puntual a cierta distancia por encima del agujero negro. Los rayos X que siguen el camino a) son observados directamente por nuestros telescopios. La luz que sigue caminos (etiquetados como bic) rebota en el disco y sigue trayectorias verdes para llegar a nosotros. La luz que viaja a) toma el camino más corto para llegar a nosotros, mientras que la luz que viaja c) toma el camino más largo y, por lo tanto, tarda más tiempo en llegar a nosotros. Crédito: Patrick O’Neill, NASA/JPL-Caltech. Atribución del tipo de licencia (CC BY 4.0)
Los ecos de luz de los chorros de agujeros negros ofrecen una nueva forma de determinar la distancia a estos objetos exóticos y estudiar la población en gran parte no observada en el centro galáctico. Incluso puede ayudar a determinar la tasa de expansión del universo. La técnica, desarrollada por un equipo de la Universidad de Newcastle y probada en el arquetipo del agujero negro Cygnus X-1, fue presentada por el investigador de posgrado y miembro del equipo Patrick O’Neill en Encuentro Nacional de Astronomía en Cardiff.
La mayoría de los agujeros negros son remanentes compactos de estrellas que terminaron sus vidas en explosiones de supernovas. Tienen un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de sus garras, de ahí el término que son negros. Aún así, el impacto en su entorno puede ser muy obvio porque el material que orbita alrededor del agujero negro se concentra en el disco y puede calentarse mucho. Esto significa que son poderosas fuentes de rayos X y muchos también tienen chorros asociados que expulsan gas y polvo a grandes distancias.
La distancia calculada a la mayoría de los agujeros negros se basa en su luminosidad de rayos X y las medidas relacionadas de su masa, que se pueden deducir de la velocidad con la que gira la materia a su alrededor. O’Neill y el resto del equipo adoptan un enfoque diferente.
La luz del chorro del agujero negro se emite en todas las direcciones, por lo que llega al disco. Como un espejo, el disco refleja parte de la luz incidente. Comenzando desde la parte más interna del disco, la luz reflejada ondulará hacia afuera porque la luz emitida en el flujo tarda más en llegar a las partes externas del disco. Esta “reverberación” de luz es similar a un eco sónico.
Esto significa que vemos la luz proveniente del chorro de dos maneras: la luz que nos llega directamente y la luz que se refleja en el disco. Al monitorear simultáneamente el brillo de la luz que nos llega directamente y la luz reflejada, es posible deducir qué tan lejos está el chorro por encima del disco. También les dice a los astrónomos qué tan cerca está el límite interno del disco del agujero negro. Más cerca en el campo gravitatorio del agujero negro, la forma del disco se distorsiona.
El seguimiento conjunto de la luz emitida por el chorro del agujero negro y el disco circundante permite al equipo calcular el tamaño del disco y la fracción de luz que refleja. Esto da una medida absoluta del brillo del disco y, por lo tanto, de la distancia al sistema disco-agujero negro.
Densas nubes de gas y polvo suelen bloquear la luz infrarroja, visible y ultravioleta emitida desde el centro de las galaxias (incluida la nuestra), lo que limita nuestro campo de visión. Por el contrario, los rayos X pueden pasar sin obstáculos a través de estas regiones, por lo que debería ser posible medir la distancia a los agujeros negros supermasivos. Si esto se puede hacer, será una nueva forma de determinar qué tan rápido se está expandiendo el universo, algo que aún no se ha determinado 94 años después del descubrimiento de la expansión en sí.
También es una poderosa herramienta para estudiar la población de agujeros negros en el centro de la galaxia. Hasta ahora, los astrónomos han tendido a observar agujeros negros relativamente ligeros y alejados del plano de la galaxia donde se encuentran la mayoría de las estrellas (nuestra galaxia tiene brazos espirales en un disco plano que sale de la barra central).
A veces, un agujero negro y una estrella masiva se orbitan entre sí en un sistema binario. Si una estrella masiva explota como una supernova, un agujero negro puede ser expulsado del plano de la galaxia. Cuanto más pesado sea el agujero negro, menor será la aceleración, por lo que los agujeros negros con más masa estarán más cerca del plano galáctico y en su centro.
O’Neill dice: “A menudo nos limitamos a observar galaxias distantes para sacar conclusiones sobre la Vía Láctea. Esta técnica de vanguardia ofrece un método para sondear el centro galáctico previamente oculto, ofreciendo nuevos conocimientos sobre la evolución de nuestra propia galaxia y cómo los agujeros negros acumulan materia. [MOU1] . También es emocionante pensar que podemos ayudar a determinar la tasa de expansión del universo y comprender mejor su futuro”.
El equipo ahora quiere crear una imagen de la población de agujeros negros en el centro de la galaxia. Esto podría ayudar a encontrar objetos como agujeros negros de masa intermedia, que probablemente se forman por la fusión de agujeros negros de estrellas individuales, así como un paso hacia la creación de agujeros negros supermasivos del tamaño de un monstruo que se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias.
Proporcionado por la Royal Astronomical Society