Estallidos de viento caliente detectados cerca del agujero negro

Ilustración del sistema de agujeros negros estudiado por el equipo. Crédito John Paice.

Un equipo internacional de astrofísicos de Southampton, Oxford y Sudáfrica ha detectado un viento muy caliente y denso que fluye cerca de un agujero negro que está al menos a 25.000 años luz de la Tierra. 

El investigador principal, el profesor Phil Charles, de la Universidad de Southampton, explicó que el gas (helio ionizado e hidrógeno) se emitía en ráfagas que se repetían cada 8 minutos, la primera vez que se veía este comportamiento alrededor de un agujero negro. Los hallazgos han sido publicados en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

El objeto que estudió el equipo del profesor Charles fue Swift J1357.2-0933, que fue descubierto por primera vez como un transitorio de rayos X, un sistema que exhibe estallidos violentos, en 2011. Estos transitorios consisten en una estrella de baja masa, similar a nuestro Sol. y un objeto compacto, que puede ser una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro. En este caso, Swift J1357.2-0933 tiene un objeto compacto que es un agujero negro que tiene al menos 6 veces la masa de nuestro Sol. 

El material compacto de la estrella normal es arrastrado por el objeto compacto a un disco entre los dos. Los estallidos masivos ocurren cuando el material en el disco se calienta e inestable y libera grandes cantidades de energía. 

El profesor Charles dijo: "Lo que era particularmente inusual acerca de este sistema era que los telescopios terrestres habían revelado que su brillo óptico mostraba caídas periódicas en sus lecturas y que el período de estas caídas cambiaba lentamente de alrededor de 2 minutos a alrededor de 10 minutos a medida que la explosión evolucionado. Tal comportamiento extraño nunca se ha visto en ningún otro objeto. 

"La causa de estas notables y rápidas caídas ha sido un tema candente de debate científico desde su descubrimiento. Así que fue con gran entusiasmo que los astrónomos recibieron el segundo estallido de este objeto a mediados de 2017, presentando una oportunidad para estudiar este extraño comportamiento en mayor detalle". 

El profesor Charles y su equipo reconocieron que la clave para obtener la respuesta era obtener espectros ópticos varias veces durante cada ciclo de caída, esencialmente estudiando cómo su color cambiaba con el tiempo. Pero con el objeto aproximadamente 10.000 veces más tenue que la estrella más débil visible a simple vista y el período de caída de solo alrededor de 8 minutos, se tuvo que usar un telescopio muy grande. 

Entonces, usaron SALT, el Gran Telescopio del Sur de África, el telescopio óptico más grande del hemisferio sur. 

La Universidad de Southampton es uno de los socios fundadores del Reino Unido en SALT, y junto con sus colaboradores sudafricanos, forman parte de un Programa de Ciencia Grande de múltiples socios para estudiar transitorios de todo tipo. SALT no solo tiene el área de recolección enorme necesaria (tiene un espejo de 10 m de diámetro), sino que los astrónomos residentes del personal operan de manera 100% programada en la cola, lo que significa que puede responder fácilmente a eventos transitorios impredecibles. Esto fue perfecto para Swift J1357.2-0933, y SALT obtuvo más de una hora de espectros, con una tomada cada 100 segundos. 

"Nuestras observaciones oportunas de este fascinante sistema demuestran cómo la respuesta rápida de SALT, a través de su operación flexible programada en cola, lo convierte en una instalación ideal para estudios de seguimiento de objetos transitorios", dijo el Dr. David Buckley, investigador principal de SALT programa transitorio, basado en el Observatorio Astronómico de Sudáfrica, que también agregó: "Con la disponibilidad instantánea de varios instrumentos diferentes en SALT, también podemos modificar dinámicamente nuestros planes de observación para adaptarlos a los objetivos científicos y reaccionar a los resultados, casi en realidad –hora." 

El profesor Charles agregó: "Los resultados de estos espectros fueron sorprendentes. Mostraron helio ionizado en absorción, que nunca antes se había visto en tales sistemas. Esto indicó que debe ser tanto denso como caliente, alrededor de 40.000 grados. Más notablemente, las características del espectro se desplazaron hacia el azul (debido al efecto Doppler), lo que indica que soplaban a unos 600 km/s. Pero lo que realmente nos sorprendió fue el descubrimiento de que estas características espectrales solo eran visibles durante las caídas ópticas en la curva de luz. Hemos interpretado que esta propiedad única se debe a una deformación u ondulación en el disco de acreción interno que orbita el agujero negro en la escala de tiempo de inmersión. Esta deformación está muy cerca del agujero negro a solo 1/10 del radio del disco. " 

¿Qué está alejando esta materia del agujero negro? Es casi seguro que es la presión de radiación de los rayos X intensos generados cerca del agujero negro. Pero tiene que ser mucho más brillante de lo que vemos directamente, lo que sugiere que el material que cae sobre el agujero negro lo oculta de la vista directa, como las nubes que ocultan el Sol. Esto ocurre porque estamos viendo el sistema binario desde un punto de vista donde el disco aparece de borde, como se muestra en la ilustración esquemática, y las gotas giratorias en este disco oscurecen nuestra vista del agujero negro central. 

Curiosamente, no hay eclipses por parte de la estrella compañera que se ve en los rayos ópticos o de rayos X, como podría esperarse. Esto se explica porque es muy pequeño y está constantemente a la sombra del disco. Esta inferencia proviene del modelado teórico detallado de los vientos que soplan en los discos de acreción que realizó uno de los miembros del equipo, James Matthews, de la Universidad de Oxford, utilizando cálculos de supercomputadora. 

Este objeto tiene propiedades notables entre un grupo que ya de por sí, son, objetos interesantes de que tienen mucho que enseñarnos sobre los puntos finales de la evolución estelar y la formación de objetos compactos. Ya conocemos un par de docenas de sistemas binarios de agujeros negros en nuestra galaxia, que tienen masas en el rango de masa solar 5-15, y el agujero negro único en nuestro Centro Galáctico es de alrededor de 4 millones de masas solares. Todos crecen por la acumulación de materia que hemos presenciado tan espectacularmente en este objeto. También sabemos que una fracción sustancial del material acreedor se está saliendo fuera. Cuando eso sucede desde los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, esos poderosos vientos y chorros pueden tener un gran impacto en el resto de la galaxia. 

El profesor Charles concluyó: "Estas versiones binarias de período corto son una manera perfecta de estudiar esta física en acción". 

Fuente: Universidad de Southampton,