El impresionante giro de cinco agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros que giran en el espacio crean un enorme torrente arremolinado a su alrededor de discos de gas y polvo calentados a cientos de millones de grados que brillan con luz de rayos X. Utilizando datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y alineaciones al azar a lo largo de miles de millones de años luz, los astrónomos han ideado una nueva técnica para medir el giro de cinco agujeros negros supermasivos. La materia en uno de estos vórtices cósmicos gira alrededor de su agujero negro a más del 70% de la velocidad de la luz. 

Para ello se utiliza fenómeno llamado lente gravitacional en el que la curvatura del espacio-tiempo por un objeto masivo, como una gran galaxia, puede magnificar y producir múltiples imágenes de un objeto distante que esté detrás suyo o cercano a el.

Los astrónomos utilizaron Chandra y lentes gravitacionales para estudiar seis cuásares, cada uno de los cuales consiste en un agujero negro supermasivo que consume rápidamente materia de un disco de acreción circundante. La lente gravitacional de la luz de cada uno de estos cuásares por parte de una galaxia intermedia ha creado múltiples imágenes de cada cuásar, como se muestra en estas imágenes de Chandra de cuatro de los objetivos. 

Crédito de la imagen: NASA / CXC / Univ. de Oklahoma / X. Dai y col.

Los astrofísicos aprovecharon la «microlente«, en la que las estrellas individuales en la galaxia interpuesta con lentes proporcionan un aumento adicional de la luz del cuásar. Un aumento mayor significa que una región más pequeña está produciendo la emisión de rayos X.  Luego, los investigadores utilizaron la propiedad de que un agujero negro giratorio está arrastrando el espacio con él y permite que la materia orbite más cerca del agujero negro de lo que es posible para un agujero negro que no gira. Por lo tanto, una región emisora ​​más pequeña correspondiente a una órbita estrecha generalmente implica un agujero negro que gira más rápidamente. 

Los resultados mostraron que uno de los agujeros negros, en el cuásar con lente llamado «Cruz de Einstein» (en la imagen HE0435) está girando a la velocidad máxima posible. Esto corresponde al horizonte de sucesos, el punto de no retorno del agujero negro, que gira a la velocidad de la luz, que es de aproximadamente 1080 millones de kilómetros por hora. Otros cuatro agujeros negros en la muestra están girando, en promedio, a aproximadamente la mitad de esta velocidad máxima.  Para la Cruz de Einstein, la emisión de rayos X proviene de una parte del disco que es menos de aproximadamente 2,5 veces el tamaño del horizonte de sucesos, y para los otros 4 cuásares, los rayos X provienen de una región de cuatro a cinco veces el tamaño. del horizonte de sucesos.

La Cruz de Einstein, observada desde el telescopio espacial Hubble. Es visible desde la Tierra, pero se necesita una noche oscura y usar un telescopio de gran abertura y una cámara ccd.

Estos agujeros negros supermasivos probablemente crecieron al acumular la mayor parte de su material durante miles de millones de años a partir de un disco de acreción que giraba con una orientación y dirección de giro similares, en lugar de direcciones aleatorias. Como un tiovivo que sigue siendo empujado en la misma dirección, los agujeros negros seguían ganando velocidad.

Los rayos X detectados por Chandra se producen cuando el disco de acreción que rodea al agujero negro crea una nube de varios millones de grados, o corona, sobre el disco cerca del agujero negro. Los rayos X de esta corona se reflejan en el borde interno del disco de acreción, y las fuertes fuerzas gravitacionales cerca del agujero negro distorsionan el espectro de rayos X reflejado, es decir, la cantidad de rayos X que se ven a diferentes energías. Las grandes distorsiones observadas en los espectros de rayos X de los cuásares aquí estudiados implican que el borde interior del disco debe estar cerca de los agujeros negros, lo que da más evidencia de que deben estar girando rápidamente. Los quásares se encuentran a distancias que van desde los 8,8 mil millones a los 10,9 mil millones de años luz de la Tierra, y los agujeros negros tienen masas entre 160 y 500 millones de veces la del Sol.

Para saber más:

The Astrophysical Journal, disponible en línea . Los autores son Xinyu Dai, Shaun Steele y Eduardo Guerras de la Universidad de Oklahoma en Norman, Oklahoma, Christopher Morgan de la Academia Naval de los Estados Unidos en Annapolis, Maryland, y Bin Chen de la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee, Florida. 

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