Descifrando la rotación de un agujero negro

La rotación retrógrada de agujeros negros supermasivos puede crear jets que controlen la evolución de la galaxia.

Diseminados por todas las galaxias están los agujeros negros, regiones que engullen materia y energía. Aunque no se los puede ver, los científicos pueden inferir su tamaño, localización y otras propiedades usando telescopios sensibles al calor que ellos generan. Este calor, el cual se ve en rayos X, lo produce la materia a medida que cae en espiral alrededor del agujero negro, cada vez más rápido, hasta que alcanza un punto de no retorno – el “horizonte de eventos” – del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

ESO/ WFI (óptica); MPIfR/ ESO/ APEX/ A.Weiss et al. (sub-mm); NASA/ CXC/ CfA/ R.Kraft et al. (rayos X)

Además de la colección de agujeros negros de una galaxia, la cual incluye agujeros negros de más de diez veces la masa del Sol, hay un agujero negro supermasivo incrustado en el corazón de cada galaxia que tiene aproximadamente de un millón a miles de millones de veces la masa del Sol. Alrededor del 10% de estos agujeros negros gigantes presentan jets de plasma, o gas altamente ionizado, que se extiende en direcciones opuestas al agujero negro. Arrojando enormes cantidades de mayormente energía cinética, o energía creada por el movimiento, desde los agujeros negros hacia el Universo, los jets afectan la formación de estrellas y otros cuerpos, y juegan un rol crucial en la evolución de los cúmulos de galaxias, las  más grandes estructuras del Universo.

“Este agujero negro en el centro del cúmulo está afectando todo en ese cúmulo”, dijo Dan Evans, investigador posdoctoral en el Instituto de Astrofísica e Investigación Espacial Kavli (MKI), del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), que estudia los agujeros negros supermasivos y sus jets. Debido a que el jet calienta, poco a poco, el gas que se transmite a través del cúmulo de galaxias, puede retrasar e incluso evitar la formación de estrellas, las cuales se crean por condensación y colapso de gas molecular frío, afectando así el crecimiento de galaxias, explicó Evans. “Sin estos jets, los cúmulos de galaxias se verían diferentes”.

Cómo se forman estos jets es uno de los más importantes misterios sin resolver que quedan en astrofísica. Ahora Evans puede estar un paso más cerca de descubrir ese misterio.

La importancia de la rotación

Durante dos años, Evans estuvo comparando varias docenas de galaxias cuyos agujeros negros alojaban poderosos jets (estas galaxias se conocen como núcleos activos de galaxias en radio, o AGN) con aquellas galaxias con agujeros negros supermasivos que no expelen jets. Todos los agujeros negros – aquéllos con y sin jets – presentan discos de acreción, acumulaciones de polvo y gas en rotación justo fuera del horizonte de eventos. Examinando la luz reflejada en el disco de acreción del agujero negro de un AGN, concluyó que los jets se forman justo afuera de los agujeros negros que tienen una rotación retrógrada – o cuya rotación está en dirección opuesta a la del disco de acreción. Aunque Evans y un colega hipotetizaron recientemente que los efectos gravitacionales de la rotación del agujero negro pueden tener algo que ver con el por qué algunos tienen jets, Evans tiene ahora resultados observacionales para sostener la teoría en un artículo publicado en la edición del 10 de febrero de 2010 del Astrophysical Journal.

Mientras que los investigadores saben que la masa de un agujero negro está íntimamente relacionada con la galaxia en la cual está localizado, ellos saben poco, hasta ahora, acerca del rol de su segunda propiedad fundamental: la rotación. Con este artículo, Evans afirma que la rotación es crucial para entender la dinámica de una galaxia que aloja un agujero negro debido a que puede realmente crear el jet que regula el crecimiento de esa galaxia y del Universo.

“Es la primera galaxia convincente de este tipo vista en este ángulo donde el resultado es bastante robusto”, dijo Patrick Ogle, científico investigador asistente en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), quien estudia AGNs. Ogle cree que la teoría de Evans respecto a la rotación retrógrada es prácticamente la mejor explicación que ha oído del por qué algunos AGN contienen un agujero negro supermasivo con un jet y otros no.

Aunque Evans sospechó durante casi cinco años que los agujeros negros retrógrados con jets estaban perdiendo la porción más interna de su disco de acreción, no fue hasta los últimos años en que los avances computacionales significaron que podría analizar datos recogidos entre finales de 2007 y principios de 2008, por el observatorio Suzaku, un satélite japonés lanzado en 2005, con colaboración de la NASA, para proveer un ejemplo que soporte la teoría. Con estos datos, Evans y colegas del Centro de Astrofísica Harvard – Smithsoniano (CfA), de la Universidad Yale, de la Universidad Keele y de la Universidad de Hertfordshire (Reino Unido), analizaron el espectro de un agujero negro supermasivo con un jet situado a 800 millones de años luz de distancia, en un AGN llamado 3C 33.

Los astrofísicos pueden ver las señales de la emisión de rayos X provenientes de las regiones internas del disco de acreción, el cual está situado cerca del borde un agujero negro, como resultado de un anillo atmosférico super caliente llamado corona, situado encima del disco y que emite luz que un observatorio como Suzaku puede detectar. Además de esta luz directa, una fracción de la luz pasa debajo de la corona sobre el disco de acreción del agujero negro y es reflejada por la superficie del disco, resultando en un patrón de señal espectral, llamado efecto Compton, también detectado por Suzaku.

Pero el equipo de Evans nunca encontró un efecto Compton en la emisión de rayos X de 3C 33, un descubrimiento que los investigadores creen provee una evidencia crucial que el disco de acreción de un agujero negro con un jet está truncado, lo que significa que éste no se extiende tan cerca del centro en un agujero negro con jet, como en un agujero negro sin jet. La ausencia de esta porción más interna del disco significa que nada puede reflejar la luz desde la corona, lo cual explica por qué los observadores sólo ven un espectro directo en luz de rayos X.

Los investigadores creen que la ausencia puede provenir de la rotación retrógrada, la cual empuja hacia afuera la órbita de la porción más interna del disco de acreción como resultado de la relatividad general, o de la atracción gravitacional entre masas. Esta ausencia crea un hueco entre el disco y el centro del agujero negro que conduce al amontonamiento de campos magnéticos que proveen la fuerza para alimentar al jet.

Aunque Ogle cree que la teoría de la rotación retrógrada es una buena explicación para las observaciones de Evans, dijo que está lejos de ser confirmada, y que tomará más ejemplos con resultados consistentes para convencer a la comunidad astrofísica.

El campo de investigación se expandirá en agosto de 2011 con el lanzamiento programado del satélite NuStar (conjunto de telescopios espectroscópico nuclear) de la NASA, el cual es de 10 a 50 veces más sensible al espectro y al efecto Compton que la tecnología actual. NuSTAR ayudará a los investigadores a dirigir un “gigantesco censo” de agujeros negros supermasivos que “revolucionará absolutamente la manera de mirar al espectro de rayos X de los AGN”, explicó Evans. Él planea pasar otros dos años comparando agujeros negros con y sin jets, esperando aprender más acerca de las propiedades de los AGN. Su objetivo, para la próxima década, es determinar cómo evoluciona en el tiempo la rotación de un agujero negro supermasivo.

Más información en: http://web.mit.edu/

Vía El Mensajero de los Astros