Rayos X revelan detalles sobre la materia alrededor de un agujero negro

Observaciones del agujero negro de masa estelar Cygnus X-1 revelan nuevos detalles sobre la configuración de la materia extremadamente caliente en la región que rodea inmediatamente al agujero negro.

La materia se calienta a millones de grados cuando es atraída hacia un agujero negro y esta materia caliente brilla en rayos X. Los investigadores utilizan las mediciones de la polarización de estos rayos X para probar y perfeccionar los modelos que describen cómo los agujeros negros se tragan la materia, convirtiéndose en algunas de las fuentes de luz más luminosas, incluidos los rayos X, del universo.

Publicadas en la revista Science, las nuevas mediciones de Cygnus X-1 representan las primeras observaciones de un agujero negro creador de masa realizadas por la misión Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), una colaboración internacional entre la NASA y la Agencia Espacial Italiana (ASI). Cygnus X-1 es una de las fuentes de rayos X más brillantes de nuestra galaxia, formada por un agujero negro de 21 masas solares en órbita con una estrella compañera de 41 masas solares.

"Las observaciones anteriores de los agujeros negros con rayos X sólo medían la dirección, el tiempo de llegada y la energía de los rayos X procedentes del plasma caliente que se dirige en espiral hacia los agujeros negros", explica el autor principal, Henric Krawczynski, catedrático Wayman Crow de Física en Artes y Ciencias de la Universidad de Washington (Estados Unidos y profesor del Centro McDonnell de Ciencias Espaciales de la universidad--. IXPE también mide su polarización lineal, que lleva información sobre cómo se emitieron los rayos X y si, y dónde, se dispersan del material cercano al agujero negro".

Ninguna luz, ni siquiera la de los rayos X, puede escapar del interior del horizonte de sucesos de un agujero negro. Los rayos X detectados con IXPE son emitidos por la materia caliente, o plasma, en una región de 2.000 km de diámetro que rodea el horizonte de sucesos de 60 km de diámetro del agujero negro.

La combinación de los datos de IXPE con las observaciones simultáneas de los observatorios de rayos X NICER y NuSTAR de la NASA en mayo y junio de 2022 permitió a los autores acotar la geometría, es decir, la forma y la ubicación, del plasma.

Los investigadores descubrieron que el plasma se extiende perpendicularmente a un flujo de plasma de dos lados, con forma de lápiz, o chorro, imaginado en observaciones de radio anteriores. La alineación de la dirección de la polarización de los rayos X y el chorro apoya firmemente la hipótesis de que los procesos en la región brillante de los rayos X cerca del agujero negro desempeñan un papel crucial en el lanzamiento del chorro.

Las observaciones coinciden con los modelos que predicen que la corona de plasma caliente intercala el disco de materia que se dirige en espiral hacia el agujero negro o sustituye la parte interna de ese disco. Los nuevos datos de polarización descartan los modelos en los que la corona del agujero negro es una estrecha columna o cono de plasma a lo largo del eje del chorro.

Los científicos señalaron que una mejor comprensión de la geometría del plasma alrededor de un agujero negro puede revelar mucho sobre el funcionamiento interno de los agujeros negros y sobre cómo acumulan masa.

"Estos nuevos conocimientos permitirán mejorar los estudios con rayos X sobre cómo la gravedad curva el espacio y el tiempo cerca de los agujeros negros", destaca Krawczynski.

En relación con el agujero negro Cygnus X-1 en concreto, "las observaciones de IXPE revelan que el flujo de acreción se ve más de canto de lo que se pensaba", explica el coautor Michal Dovciak, del Instituto Astronómico de la Academia Checa de Ciencias.

"Esto puede ser una firma de una desalineación del plano ecuatorial del agujero negro y el plano orbital de la binaria", o el dúo emparejado del agujero negro y su estrella compañera, aclara la coautora Alexandra Veledina, de la Universidad de Turku. "El sistema puede haber adquirido esa desalineación cuando la estrella progenitora del agujero negro explotó", añade.

"La misión IXPE utiliza espejos de rayos X fabricados en el Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA e instrumentación de plano focal proporcionada por una colaboración de ASI, el Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) y el Instituto Nacional de Física Nuclear", apunta el coautor Fabio Muleri, del INAF-IAPS.

"Más allá de Cygnus X-1, IXPE se está utilizando para estudiar una amplia gama de fuentes de rayos X extremas, incluyendo estrellas de neutrones con acreción de masa, púlsares y nebulosas de viento de púlsar, restos de supernovas, nuestro centro galáctico y núcleos galácticos activos. Hemos encontrado muchas sorpresas y nos estamos divirtiendo mucho", asegura.

Un segundo artículo en el mismo número de 'Science' dirigido por Roberto Taverna, de la Universidad de Padua (Italia), describe la detección por IXPE de rayos X altamente polarizados procedentes del magnetar 4U 0142+61.

"Estamos encantados de formar parte de esta nueva ola de descubrimientos científicos en astrofísica", asegura Krawczynski.