18 mar. 2014

Una lente gravitatoria permite medir la velocidad de giro de un agujero negro

Los astrónomos han determinado directamente la velocidad de rotación de un agujero negro supermasivo situado en un quásar que se encuentra a 6 mil millones de años luz de distancia.
Este es el agujero negro más lejano en el cual se ha podido determinar esta medición. Los parámetros de momento angular de un agujero negro, además de su masa y su carga eléctrica, lo definen como tal. En particular, averiguar lo rápido que estos objetos peculiares están girando revela información importante sobre la forma en que crecen con el tiempo.
Las imágenes obtenidas de un quásar a partir del Chandra X-ray Observatory and the Hubble Space Telescope sirvieron para determinar el valor de la rotación del agujero negro supermasivo alojado en el núcleo del quásar. Además de los datos aportados por el Chandra, se sirvieron de los suministrados por la ESA XMM-Newton

Imagen conjunta del RX J1131-1231.
X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STScI

Este es el agujero negro es el más lejano, donde se ha realizado una medición de este tipo 

Los agujeros negros supermasivos poseen una masa de varios millones de estrellas y se cree que se encuentran alojados en el centro de la mayoría de las grandes galaxias. La evidencia que apoya esta hipótesis proviene de análisis ópticos y de radio, que muestran un fuerte aumento en la velocidad de las estrellas y de las nubes de gas en las cercanías de los núcleos galácticos. Estas velocidades altísimas estarían en congruencia con un poderoso campo gravitatorio que está acelerando esos objetos. Además, las observaciones mediante rayos X indican que gran cantidad de energía se produce desde los núcleos galácticos (muchas veces desde las regiones polares), generada por la caída de material sobre el agujero negro en cuestión.
Dada la gran cantidad de galaxias que se supone que hay en el Universo (aproximadamente 100 mil millones), hay muchas probabilidades de encontrarlas en las más diversas posiciones unas con respecto a otras. En este caso, una galaxia elíptica (y como tal, de gran masa) se encuentra justo entre el Quásar y nosotros, los observadores. Esto hace que la galaxia actúe como lente gravitatoria generando cuatro imágenes del quásar (el número de imágenes de las lentes gravitatorias dependerá de la uniformidad de la masa del objeto interviniente y de su densidad de materia). Estas lentes gravitatorias fueron predichas por la teoría de la Relatividad de Einstein y ofrecen una rara oportunidad de estudiar múltiples imágenes diferentes de un mismo objeto. Aquí, la lente gravitatoria permitió estudiar las regiones del quásar y de su agujero negro anfitrión. Otra de las interesantes características de las lentes gravitatorias es que magnifican la radiación de los objetos que deforman actuando como telescopios naturales. En la imagen adjunta, (cuyo crédito es X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STScI) se muestra la galaxia elíptica en el centro de la imagen, junto con otras galaxias en el campo.

El quásar es conocido como RX J1131-1231 y se halla situado a 6000 millones de años luz de la Tierra. Y a partir de la lente gravitatoria se ha podido obtener un espectro de rayos X de alta calidad (es decir, visto en diferentes energías o longitudes de onda) de RX J1131.

Los rayos X se producen desde la parte interna del disco de acreción del agujero negro. Allí, la materia que tiene la mala fortuna de caer, se calienta a varios millones de grados formando una corona de emisión de radiación X. Los rayos X de la corona, además, se reflejan en el borde interior del disco de acreción. El espectro de rayos X reflejado se ve alterad por las fuertes fuerzas gravitatorias cerca del agujero negro. Cuanto mayor sea el cambio en el espectro, más cerca del borde interior del disco debe estar el horizonte de sucesos del agujero negro.

¿Qué cambios se pueden observar en el espectro de rayos X?

El espectro de rayos X, al igual que el óptico, posee estados de emisión y de absorción contra un espectro de fondo que se denomina patrón. Cada isótopo posee un espectro característico de rayos X. Como se ve en las imágenes, cuando los electrones se mueven de una capa a la otra emiten o absorben rayos X. Por ejemplo, desde la capa K a la L (nivel 1 y 2). Si el objeto se mueve, las líneas del espectro estarán corridas hacia longitudes de onda mayores si se aleja o menores si se acerca. 

Transiciones de rayos X con y sin estructura fina.
De esta manera, utilizando ecuaciones no demasiado complicadas, se puede conocer la velocidad de la fuente. Si se tiene suficiente definición del disco de acreción de un agujero negro, como es este el caso gracias a la lente gravitatoria, se puede conocer la velocidad del disco de acreción por sectores. La velocidad de giro del disco de acreción no es la misma que la del agujero negro. Éste gira conservando el momento angular del objeto que colapsó.

Picos de emisión o absorción en un espectro de rayos
X de un isótopo arbitrario.

Los rayos X proceden de una región a sólo tres veces el horizonte de sucesos

Los autores del nuevo estudio encontraron que los rayos X proceden de una región en el disco situado a sólo tres veces el radio del horizonte de sucesos, el punto de no retorno para materia que cae. De esta manera se supone que el agujero negro debe girar muy rápidamente para permitir que un disco sobreviva en un radio tan pequeño.
La importancia de estos resultados radica en que los agujeros negros son definidos por parámetros como la masa y el momento angular. Mientras que los astrónomos han sido capaces de medir muchas veces la masa de manera muy eficaz, la determinación del momento angular ha sido mucho más difícil.
Estas mediciones de rotación pueden dar a los investigadores importantes pistas sobre cómo los agujeros negros crecen con el tiempo. Si los agujeros negros crecen principalmente por colisiones y fusiones entre galaxias deberían acumular material en un disco estable, y el suministro constante de material nuevo desde el disco deben conducir a que gire más rápidamente. Por el contrario, si los agujeros negros crecen a través de muchos episodios de acreción pequeños, van a acumular el material de direcciones aleatorias haciendo que con el tiempo el agujero negro se ralentice.

La velocidad de giro de RX J1131 es de la mitad de la velocidad de la luz

Para el caso de RX J1131, la velocidad (entiéndase, rapidez) de giro del espacio-tiempo en el horizonte de sucesos es de más de la mitad de la velocidad de la luz. Como el agujero negro se halla a 6 mil millones de años luz, tendría una edad de vida aproximada de 7,7 mil millones de años. De esta manera se supone que ha estado creciendo a partir de fusiones en lugar de materia traccionado desde diferentes regiones.
Estos resultados fueron publicados en línea en la revista Nature. El autor principal es Rubens Reis, de la Universidad de Michigan. Sus co-autores son Mark Reynolds y Jon M. Miller, también de Michigan, así como Dominic Walton, del Instituto de Tecnología de California.

Por Mariano Miguel Lanzi

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