Un equipo de astrónomos dirigido por Erin Kara, becaria postdoctoral del Premio Neil Gehrels en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Maryland, ha trazado el entorno que rodea un agujero negro relativamente pequeño, de "masa estelar", que es 10 veces la masa del solLas observaciones proporcionan la imagen más clara hasta la fecha de cómo estos pequeños agujeros negros consumen materia y emiten energía.
Los resultados de la investigación se presentarán el 9 de enero de 2019 en una conferencia de prensa en la 233a Reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Seattle, Washington. También se publicará un artículo de investigación en la revista Naturaleza el 10 de enero de 2019.
Utilizando la carga útil del Explorador de Composición Interior de la estrella de neutrones de la NASA NICER a bordo de la Estación Espacial Internacional, el equipo detectó luz de rayos X del agujero negro recientemente descubierto, llamado MAXI J1820 + 070 J1820 para abreviar, ya que consumía material de unestrella compañera. Las ondas de rayos X formaron "ecos de luz" que se reflejaron en el remolino de gas cerca del agujero negro y revelaron cambios en el tamaño y la forma del entorno.
"NICER nos ha permitido medir los ecos de luz más cerca de un agujero negro de masa estelar que nunca", dijo Kara, la autora principal del trabajo de investigación, quien también es miembro del Hubble con una cita conjunta en el Goddard Space de la NASA.Flight Center y el Joint Space-Science Institute ". Anteriormente, estos ecos de luz del disco de acreción interno solo se veían en agujeros negros supermasivos, que son de millones a miles de millones de masas solares y experimentan cambios lentamente. Los agujeros negros estelares como J1820 tienen mucho más bajose acumula y evoluciona mucho más rápido, por lo que podemos ver los cambios que se desarrollan en escalas de tiempo humanas ".
J1820 se encuentra a unos 10.000 años luz de la Tierra, en dirección a la constelación de Leo. La estrella compañera del agujero negro fue identificada en una encuesta realizada por la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea ESA, que permitió a los investigadores estimar su distancia desdeLos astrónomos desconocían la presencia del agujero negro hasta el 11 de marzo de 2018, cuando el Monitor de la imagen de rayos X de todo el cielo MAXI de la Agencia Japonesa de Exploración y Aeroespacio descubrió un estallido.
En solo unos días, J1820 pasó de un agujero negro totalmente desconocido a una de las fuentes más brillantes en el cielo de rayos X. NICER se movió rápidamente para capturar esta dramática transición y continúa siguiendo la cola que se desvanece de la erupción.
"NICER fue diseñado para ser lo suficientemente sensible como para estudiar objetos débiles e increíblemente densos llamados estrellas de neutrones", dijo Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER y astrofísico de la NASA Goddard. "Estamos contentos de lo útil que también ha sido probado al estudiar estosagujeros negros de masa estelar muy brillantes con rayos X ".
Un agujero negro puede extraer gas de una estrella compañera cercana y pasarlo a un anillo de material llamado disco de acreción. Las fuerzas gravitacionales y magnéticas calientan el disco a millones de grados Celsius, lo que lo hace lo suficientemente caliente como para producir rayos X en las partes internasdel disco, cerca del agujero negro. Los estallidos ocurren cuando una inestabilidad en el disco hace que una inundación de gas se precipite repentinamente hacia el agujero negro, como una avalancha gaseosa. Los astrónomos aún no entienden qué causa estas inestabilidades del disco.
Por encima del disco está la corona, una región de partículas subatómicas calentadas a mil millones de grados Celsius que brillan con rayos X de alta energía. Muchos misterios permanecen sobre el origen y la evolución de la corona de un agujero negro. Algunas teorías sugieren que la estructura podríarepresentan una forma temprana de los chorros de partículas de alta velocidad que a menudo emiten este tipo de sistemas.
Los astrofísicos quieren entender mejor cómo el borde interno del disco de acreción de un agujero negro, y la corona sobre él, cambian de tamaño y forma a medida que un agujero negro consume material de una estrella compañera. Si los científicos pueden entender cómo y por quélos cambios ocurren en los agujeros negros de masa estelar durante un período de semanas, podrían obtener nuevas ideas sobre cómo evolucionan los agujeros negros supermasivos durante millones de años y cómo afectan las galaxias donde residen.
Un método usado para trazar tales cambios se llama mapeo de reverberación de rayos X, que usa reflejos de rayos X de la misma manera que el sonar usa ondas de sonido para mapear el terreno submarino. Algunos rayos X de la corona viajan directamente hacia nosotros, mientras queotros iluminan el disco y reflejan en diferentes energías y ángulos.
el mapeo de reverberación de rayos X de los agujeros negros supermasivos ha demostrado que el borde interno del disco de acreción está muy cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, el punto más allá del cual no puede escapar la materia o la energía. La corona también es compacta, acostadamás cerca del agujero negro en lugar de sobre gran parte del disco de acreción.
Las observaciones previas de los ecos de rayos X de los agujeros negros de masa estelar sugirieron que el borde interno del disco de acreción podría estar bastante distante, hasta cientos de veces el tamaño del horizonte de eventos. Sin embargo, J1820 se comportó más como sus primos supermasivos.
Mientras examinaban las observaciones de NICER de J1820, el equipo de Kara vio una disminución en el retraso, o el tiempo de retraso, entre el destello inicial de los rayos X provenientes directamente de la corona y el eco del destello del disco. Esto indicó que la X-los rayos viajaron a distancias cada vez más cortas antes de que se reflejaran. A 10,000 años luz de distancia, los investigadores estimaron que la corona se contrajo verticalmente de aproximadamente 100 millas a aproximadamente 10 millas. Para poner esto en perspectiva, sería como ver algotamaño de un arándano encogerse al tamaño de una semilla de amapola desde la distancia entre la Tierra y Plutón.
"Esta es la primera vez que vemos este tipo de evidencia de que se está reduciendo la corona durante esta fase particular de la evolución del estallido", dijo el coautor Jack Steiner, astrofísico del Instituto Kavli de Astrofísica del Instituto Tecnológico de Massachusettsy Space Research en Cambridge: "La corona sigue siendo bastante misteriosa, y todavía tenemos una comprensión imprecisa de lo que es. Pero ahora tenemos evidencia de que lo que está evolucionando en el sistema es la estructura de la corona".
Para confirmar que la disminución en el tiempo de retraso se debió a un cambio en la corona y no en el disco de acreción, los investigadores utilizaron una señal llamada línea K de hierro, que se crea cuando los rayos X de la corona chocan con los átomos de hierro enel disco, haciéndolos fluorescentes.
Según la teoría de la relatividad de Einstein, el tiempo corre más lento en campos gravitacionales fuertes y a altas velocidades. Cuando los átomos de hierro más cercanos al agujero negro son bombardeados por la luz del núcleo de la corona, las longitudes de onda de los rayos X que emitenestirarse porque el tiempo se mueve más lento para ellos que para el observador.
El equipo de Kara descubrió que la línea K de hierro estirado de J1820 permaneció constante, lo que significa que el borde interno del disco permaneció cerca del agujero negro, similar a un agujero negro supermasivo. Si el tiempo de retraso disminuido fue causado por el borde interno delel disco se mueve aún más hacia adentro, entonces la línea K de hierro se habría estirado aún más.
Estas observaciones brindan a los científicos nuevas ideas sobre cómo el material se canaliza hacia un agujero negro y cómo se libera energía en este proceso.
"Las observaciones de NICER de J1820 nos han enseñado algo nuevo sobre los agujeros negros de masa estelar y sobre cómo podríamos usarlos como análogos para estudiar los agujeros negros supermasivos y sus efectos en la formación de galaxias", dijo el coautor Philip Uttley, astrofísico dela Universidad de Amsterdam. "Hemos visto cuatro eventos similares en el primer año de NICER, y es notable. Parece que estamos al borde de un gran avance en astronomía de rayos X".
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Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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