La NASA escudriña el disco de un agujero negro a 8.800 años luz

El observatorio espacial IXPE de la NASA ha ayudado a comprender mejor el disco de material que gira alrededor de un agujero negro a solo 8.800 años luz y la región de plasma cambiante llamada corona.

El agujero negro de masa estelar, parte del sistema binario Swift J1727.8-1613, fue descubierto en el verano de 2023 durante un evento de aumento de brillo inusual que hizo que eclipsara brevemente a casi todas las demás fuentes de rayos X. Es el primero de su tipo que se observa con el IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) mientras pasa por el inicio, el pico y la conclusión de un estallido de rayos X como este.

Swift J1727 es el tema de una serie de nuevos estudios publicados en The Astrophysical Journal y Astronomy & Astrophysics. Los científicos dicen que los hallazgos proporcionan una nueva perspectiva sobre el comportamiento y la evolución de los sistemas binarios de rayos X de agujeros negros.

"Este estallido evolucionó increíblemente rápido", dijo en un comunicado la astrofísica Alexandra Veledina, investigadora permanente de la Universidad de Turku, Finlandia. "Desde nuestra primera detección del estallido, Swift J1727 tardó solo unos días en alcanzar su punto máximo. Para entonces, IXPE y muchos otros telescopios e instrumentos ya estaban recopilando datos. Fue emocionante observar el estallido hasta su regreso a la inactividad".

Hasta finales de 2023, Swift J1727 permaneció brevemente más brillante que la Nebulosa del Cangrejo, la "vela" de rayos X estándar que se utiliza para proporcionar una línea de base para las unidades de brillo de rayos X. Este tipo de estallidos no son inusuales entre los sistemas estelares binarios, pero rara vez ocurren con tanto brillo y tan cerca de casa, a solo 8.800 años luz de la Tierra. El sistema binario recibió su nombre en honor a la misión Swift Gamma-ray Burst, que detectó inicialmente el estallido con su Burst Alert Telescope el 24 de agosto de 2023, lo que resultó en el descubrimiento del agujero negro.

Los sistemas binarios de rayos X suelen incluir dos estrellas muy próximas entre sí en distintas etapas de su ciclo de vida. Cuando la estrella más vieja se queda sin combustible, explota en una supernova, dejando atrás una estrella de neutrones, una enana blanca o un agujero negro. En el caso de Swift J1727, la potente gravedad del agujero negro resultante despojó de material a su estrella compañera, calentándolo a más de 1,8 millones de grados Fahrenheit y produciendo una enorme efusión de rayos X. Esta materia formó un disco de acreción y puede incluir una corona supercalentada. En los polos del agujero negro, la materia también puede escapar del sistema binario en forma de chorros relativistas.

IXPE, que ha ayudado a la NASA y a los investigadores a estudiar todos estos fenómenos, se especializa en la polarización de rayos X, la característica de la luz que ayuda a mapear la forma y la estructura de estas fuentes de energía ultrapoderosas, iluminando su funcionamiento interno incluso cuando están demasiado distantes para que podamos verlas directamente.

"Como la luz no puede escapar de su gravedad, no podemos ver los agujeros negros", dijo Veledina. "Solo podemos observar lo que sucede a su alrededor y sacar conclusiones sobre los mecanismos y procesos que ocurren allí. IXPE es crucial para ese trabajo".

Dos de los estudios basados en IXPE de Swift J1727, dirigidos por Veledina y Adam Ingram, investigador de la Universidad de Newcastle en Newcastle-upon-Tyne, Inglaterra, se centraron en las primeras fases del estallido. Durante el breve período de meses en que la fuente se volvió excepcionalmente brillante, la corona fue la principal fuente de radiación de rayos X observada.

"IXPE documentó la polarización de la radiación de rayos X que viaja a lo largo de la dirección estimada del chorro del agujero negro, por lo que el plasma caliente se extiende en el plano del disco de acreción", dijo Veledina. "Se informaron hallazgos similares en el binario de agujeros negros persistentes Cygnus X-1, por lo que este hallazgo ayuda a verificar que la geometría es la misma entre los sistemas eruptivos de corta duración".

El equipo siguió de cerca los cambios en los valores de polarización durante el pico de la explosión de Swift J1727. Estas conclusiones coincidieron con los hallazgos obtenidos simultáneamente durante los estudios de otras bandas de energía de la radiación electromagnética.

Un tercer y un cuarto estudio, dirigidos por los investigadores Jirí Svoboda y Jakub Podgorny, ambos de la Academia Checa de Ciencias en Praga, se centraron en la polarización de rayos X en la segunda parte de la explosión de Swift J1727 y su retorno a un estado altamente energético varios meses después. Por los trabajos previos de Podgorny, utilizando datos de IXPE y simulaciones de agujeros negros, recientemente recibió el máximo premio nacional de la República Checa por una tesis doctoral en ciencias naturales.

Los datos de polarización indicaron que la geometría de la corona no cambió significativamente entre el comienzo y el final de la explosión, a pesar de que el sistema evolucionó mientras tanto y el brillo de los rayos X cayó drásticamente en el estado energético posterior.

Los resultados representan un avance significativo en nuestra comprensión de las formas y estructuras cambiantes del disco de acreción, la corona y las estructuras relacionadas en los agujeros negros en general. El estudio también demuestra el valor de IXPE como herramienta para determinar cómo están conectados todos estos elementos del sistema, así como su potencial para colaborar con otros observatorios para monitorear cambios repentinos.