Del aburrimiento al estallido: un agujero negro gigante despierta

Fuente ESA

El XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea desempeña un papel crucial en la investigación de los estallidos de rayos X más largos y energéticos observados desde un agujero negro recién despertado. Observar este extraño comportamiento en tiempo real ofrece una oportunidad única para aprender más sobre estos potentes eventos y el misterioso comportamiento de los agujeros negros masivos.

Aunque sabemos que los agujeros negros supermasivos (con millones de veces la masa de nuestro Sol) se esconden en el centro de la mayoría de las galaxias, su propia naturaleza dificulta su detección y estudio. A diferencia de la idea popular de que los agujeros negros devoran materia constantemente, estos monstruos gravitacionales pueden pasar largos periodos en una fase latente e inactiva.

Esto ocurrió con el agujero negro en el corazón de SDSS1335+0728, una galaxia distante y poco destacable a 300 millones de años luz de distancia, en la constelación de Virgo. Tras décadas de inactividad, se iluminó repentinamente y recientemente comenzó a producir destellos de rayos X sin precedentes.

Los primeros signos de actividad aparecieron a finales de 2019, cuando la galaxia comenzó a brillar inesperadamente, atrayendo la atención de los astrónomos. Tras estudiarla durante varios años, concluyeron que los inusuales cambios observados probablemente se debieron a que el agujero negro se había activado repentinamente, entrando en una fase activa. La región central, brillante y compacta de la galaxia se clasifica ahora como un núcleo galáctico activo, apodado «Ansky».

«Cuando vimos por primera vez la iluminación de Ansky en imágenes ópticas, iniciamos observaciones de seguimiento con el telescopio espacial de rayos X Swift de la NASA y revisamos los datos archivados del telescopio de rayos X eROSITA, pero en ese momento no observamos ninguna evidencia de emisiones de rayos X», afirma Paula Sánchez Sáez, investigadora del Observatorio Europeo Austral (Alemania) y líder del equipo que exploró por primera vez la activación del agujero negro.

Ansky se despierta

Luego, en febrero de 2024, un equipo dirigido por Lorena Hernández-García, investigadora de la Universidad de Valparaíso, Chile, comenzó a observar explosiones de rayos X provenientes de Ansky a intervalos casi regulares.

“Este inusual evento brinda a los astrónomos la oportunidad de observar el comportamiento de un agujero negro en tiempo real, utilizando los telescopios espaciales de rayos X XMM-Newton y NICER, Chandra y Swift de la NASA. Este fenómeno se conoce como erupción cuasiperiódica o ECP. Las ECP son erupciones de corta duración. Y esta es la primera vez que observamos un evento de este tipo en un agujero negro que parece estar despertando”, explica Lorena.

“El primer episodio de ECP se descubrió en 2019, y desde entonces solo hemos detectado unos pocos más. Aún no entendemos qué los causa. Estudiar Ansky nos ayudará a comprender mejor los agujeros negros y su evolución”.

XMM-Newton jugó un papel fundamental en nuestro estudio. Es el único telescopio de rayos X con la sensibilidad suficiente para detectar la tenue luz de fondo de rayos X entre los estallidos. Con XMM-Newton pudimos medir la opacidad de Ansky, lo que nos permitió calcular cuánta energía libera cuando se ilumina y comienza a destellar.

Desentrañando comportamientos desconcertantes

La gravedad de un agujero negro captura la materia que se acerca demasiado y puede desgarrarlo. La materia de una estrella capturada, por ejemplo, se dispersaría en un disco caliente, brillante y de rápida rotación llamado disco de acreción. Actualmente, se cree que las explosiones cuánticas de rayos X (EQP) son causadas por un objeto (que podría ser una estrella o un pequeño agujero negro) que interactúa con este disco de acreción y se han relacionado con la destrucción de una estrella. Sin embargo, no hay evidencia de que Ansky haya destruido una estrella.

Las extraordinarias características de las explosiones recurrentes de Ansky llevaron al equipo de investigación a considerar otras posibilidades. El disco de acreción podría estar formado por gas capturado por el agujero negro de su vecindad, y no por una estrella desintegrada. En este escenario, las erupciones de rayos X provendrían de choques altamente energéticos en el disco, provocados por un pequeño objeto celeste que atraviesa y perturba repetidamente el material en órbita.

“Las explosiones de rayos X de Ansky son diez veces más largas y diez veces más luminosas que las que observamos en un QPE típico”, afirma Joheen Chakraborty, miembro del equipo y estudiante de doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), EE. UU.

“Cada una de estas erupciones libera cien veces más energía que la observada en otros lugares. Las erupciones de Ansky también muestran la cadencia más larga jamás observada, de aproximadamente 4,5 días. Esto pone a prueba nuestros modelos y desafía nuestras ideas existentes sobre cómo se generan estos destellos de rayos X”.

Observando un agujero negro en acción

Poder observar la evolución de Ansky en tiempo real representa una oportunidad sin precedentes para que los astrónomos aprendan más sobre los agujeros negros y los eventos energéticos que generan.

“En el caso de los QPE, aún disponemos de más modelos que datos, y necesitamos más observaciones para comprender qué está sucediendo”, afirma Erwan Quintin, investigador de la ESA y astrónomo de rayos X.

“Pensábamos que los QPE se debían a pequeños objetos celestes capturados por otros mucho más grandes y que descendían en espiral hacia ellos. Las erupciones de Ansky parecen revelarnos una historia diferente. Es probable que estos estallidos repetitivos también estén asociados con ondas gravitacionales que la futura misión LISA de la ESA podría captar”.

“Es crucial contar con estas observaciones de rayos X que complementarán los datos de ondas gravitacionales y nos ayudarán a resolver el enigmático comportamiento de los agujeros negros masivos”.