Las recientes observaciones de un agujero negro de masa estelar llamado 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 a medida que es atraída hacia un agujero negro. Esta materia caliente brilla en rayos X. Los investigadores están utilizando mediciones de la polarización de estos rayos X para probar y refinar modelos que describen cómo los agujeros negros tragan materia, convirtiéndose en algunas de las fuentes de luz más luminosas, incluidos los rayos X, en el universo.
El agujero negro Cygnus X-1 es una de las fuentes de rayos X más brillantes de nuestra galaxia
Las nuevas mediciones de Cygnus X-1, publicadas en línea por la revista Science hoy jueves, representan las primeras observaciones de un agujero negro de acumulación masiva de la misión Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), una colaboración internacional entre NASA y la Agencia Espacial Italiana (ASI). Cygnus X-1 es una de las fuentes de rayos X más brillantes de nuestra galaxia y consiste en un agujero negro de 21 masas solares en órbita con una estrella compañera de 41 masas solares.
«Las observaciones anteriores de rayos X de los agujeros negros solo midieron la dirección de llegada, el tiempo de llegada y la energía de los rayos X del plasma caliente que se desplazan en espiral hacia los agujeros negros«, comenta el autor principal Henric Krawczynski, profesor de Física en Artes y Ciencias de Wayman Crow en la Universidad de Washington en St. Louis y miembro de la facultad en el Centro McDonnell para las Ciencias Espaciales de la universidad. «IXPE también mide su polarización lineal, que transmite información sobre cómo se emitieron los rayos X, y si, y dónde, dispersan material cerca del agujero negro«.
Restringir la geometría del plasma
Ninguna luz, ni siquiera la luz 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 eventos 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 restringir la geometría, es decir, la forma y la ubicación, del plasma.
Los investigadores encontraron que el plasma se extiende perpendicularmente a un flujo de salida de plasma en forma de lápiz de dos lados, o chorro, fotografiado en observaciones de radio anteriores. La alineación de la dirección de la polarización de rayos X y el chorro brinda un fuerte apoyo a la hipótesis de que los procesos en la región brillante de rayos X cerca del agujero negro juegan un papel crucial en el lanzamiento del chorro.
Cómo la gravedad curva el espacio y el tiempo cerca de los agujeros negros
Las observaciones coinciden con los modelos que predicen que la corona de plasma caliente intercala el disco de materia en espiral hacia el agujero negro o reemplaza la parte interna de ese disco. Los nuevos datos de polarización descartan 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 notaron 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 cómo acumulan masa.
«Estos nuevos conocimientos permitirán mejores estudios de rayos X de cómo la gravedad curva el espacio y el tiempo cerca de los agujeros negros«, indica Krawczynski.
El flujo de acreción se ve más de frente de lo que se pensaba
Relacionado específicamente con el agujero negro Cygnus X-1, «las observaciones de IXPE revelan que el flujo de acreción se ve más de frente de lo que se pensaba«, explica el coautor Michal Dovčiak, del Instituto Astronómico de la Academia Checa de Ciencias.
«Esto puede ser una señal de una desalineación del plano ecuatorial del agujero negro y el plano orbital del binario«, 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 explotó la estrella progenitora del agujero negro«.
La nueva ola de la astrofísica
«La misión IXPE utiliza espejos de rayos X fabricados en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales 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«, comenta el coautor Fabio Muleri. del INAF-IAPS. «Más allá de Cygnus X-1, IXPE se está utilizando para estudiar una amplia gama de fuentes extremas de rayos X, que incluyen estrellas de neutrones de acreción masiva, púlsares y nebulosas de viento púlsar, remanentes de supernova, nuestro centro galáctico y núcleos galácticos activos. Hemos encontrado muchas sorpresas, y nos estamos divirtiendo mucho«.
Un segundo artículo en la misma edición de Science fue dirigido por Roberto Taverna en la Universidad de Padova, y describe la detección IXPE de rayos X altamente polarizados del magnetar 4U 0142+61.
«Estamos encantados de ser parte de esta nueva ola de descubrimientos científicos en astrofísica«, concluye Krawczynski.
Fuentes:
–Los rayos X polarizados restringen la geometría del chorro de disco en el binario de rayos X del agujero negro Cygnus X-1, Science (2022).
–Rayos X polarizados de un magnetar, Science (2022).
