Un agujero negro eyecta chorros de material pesado

Los agujeros negros de masa estelar son observados a menudo devorando material procedente de una estrella compañera. La materia fluye desde la estrella hacia el agujero negro, orbitando en un disco a su alrededor a una temperatura tan alta que emite rayos X.

El agujero negro puede ser un comensal delicado: en vez de tragar todo el material a veces expulsa una parte, formando dos potentes chorros de partículas. Como estos jets extraen masa y energía del sistema, el agujero negro se queda con menos material del que alimentarse.

Estudiando la composición de estos jets los astrofísicos obtienen información sobre los hábitos alimenticios de los agujeros negros.

Las observaciones con radiotelescopios ya habían desvelado que los jets procedentes de agujeros negros contienen electrones acelerados a velocidades próximas a las de la luz. Pero hasta ahora no estaba claro si la carga negativa de los electrones se complementaba con sus antipartículas, los positrones, o con otras partículas más pesadas de carga positiva, como los protones o los núcleos atómicos.

En un nuevo estudio, los astrónomos han recurrido a XMM-Newton para estudiar un sistema binario llamado 4U1630–47, que destaca por presentar brotes de emisión en rayos x durante periodos que pueden durar años.

“En nuestras observaciones detectamos la presencia de núcleos ionizados de dos elementos pesados, hierro y níquel”, afirma María Díaz Trigo, del Observatorio Austral Europeo (ESO), en Múnich, Alemania, autora principal del trabajo que publica en la revista Nature. 

“El hallazgo supone una sorpresa positiva, porque deja claro que la composición de los jets de agujeros negros es más rica, contiene otras partículas además de electrones”.

El equipo de astrónomos observó 4U1630–47 con XMM-Newton en dos ocasiones en septiembre de 2012, y comparó los resultados con otras observaciones casi simultáneas en longitudes de onda de radio, desde el radiotelescopio en Australia, el Telescope Compact Array.

Aunque las dos observaciones descritas por Díaz Trigo y sus colaboradores distaban solo dos semanas, los resultados fueron sorprendentemente distintos.

En las primeras observaciones los astrónomos detectaros rayos X procedentes del disco de material en torno al agujero negro, pero no vieron nada en radio, indicio de que los jets aún no se encontraban activos.

En las observaciones siguientes, sin embargo, detectaron la fuente tanto en rayos X como en ondas de radio, lo que implica que los jets se habían reactivado en el intervalo.

Al analizar los datos de rayos X de la segunda tanda de observaciones los astrónomos encontraron también indicios de la presencia de núcleos de hierro orientados tanto hacia XMM-Newton como en dirección opuesta, lo que confirma que pertenecen a dos jets distintos.  

Los astrónomos también detectaron núcleos de níquel en los jets orientados hacia XMM-Newton.

“Partiendo de estas huellas de hierro y níquel pudimos mostrar que la velocidad de los jets es realmente muy alta, de unos dos tercios de la velocidad de la luz”, dice el también firmante del trabajo James Miller-Jones, del nodo de la Universidad de Curtin del Centro Internacional de Investigación en Radioastronomía de Perth, Australia.

“Es más, la presencia de núcleos atómicos pesados en jets de agujeros negros significa que la masa y la energía se están alejando del agujero negro en cantidades muy superiores de lo que pensábamos hasta ahora, lo que podría tener un impacto en el mecanismo y el ritmo al que el agujero negro atrae materia”, añade  Simone Migliari, también co-autor, de la Universidad de Barcelona.

Es la primera vez que se detectan núcleos pesados en jets de un agujero negro de masa estelar relativamente típico.

Se conoce por ahora solo otro sistema binario de rayos X que muestra indicios similares de presencia de núcleos atómicos en sus jets, una fuente conocida como SS 433. Este sistema, sin embargo, se caracteriza porque su agujero negro atrae materia a un ritmo inusualmente alto, lo que hace difícil comparar sus propiedades con las de otro agujero negro más normal.

Las nuevas observaciones de 4U1630–47 permitirán a los astrónomos aprender más sobre los mecanismos físicos que impulsan los jets en los discos de material que rodean a un agujero negro.

“Ahora sabemos mucho sobre los agujeros negros y sobre lo que ocurre en sus inmediaciones, pero la formación de los jets aún constituye un misterio; esta observación es un paso hacia la comprensión de este fascinante fenómeno”, dice Norbert Schartel, jefe científico de XMM-Newton, de la ESA. 

Más información:

“Baryons in the relativistic jets of the stellar-mass black hole candidate 4U1630–47,” by M. Díaz Trigo et al.  publicado en Nature, 14 Noviembre 2013.

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