miércoles, marzo 13, 2013

LA VELOZ ROTACIÓN DE UN AGUJERO NEGRO ENCIERRA LA HISTORIA DE SU GALAXIA


LA VELOZ ROTACIÓN DE UN AGUJERO NEGRO ENCIERRA LA HISTORIA DE SU GALAXIA

Rapidly rotating black hole accreting matter
Los observatorios espaciales XMM-Newton de la ESA y NuSTAR de la NASA han hallado, en el corazón de una galaxia espiral, un agujero negro supermasivo girando casi a la velocidad de la luz, ofreciendo nueva información sobre cómo crecen las galaxias.
Title Rapidly rotating black hole accreting matter Released 27/02/2013 7:00 pm Copyright NASA/JPL-Caltech Description ESA’s XMM-Newton and NASA’s NuSTAR have detected a rapidly rotating supermassive black hole in the heart of spiral galaxy NGC 1365. The rate at which a black hole spins encodes the history of its formation. An extremely rapid rotation could result from either a steady and uniform flow of matter spiralling in via an accretion disc (as shown in this artist impression) or as a result of the merger of two galaxies and their smaller black holes. Also depicted in this image is an outflowing jet of energetic particles, believed to be powered by the black hole’s spin. The regions near black holes contain compact sources of high energy X-ray radiation thought, in some scenarios, to originate from the base of these jets. The nature of the X-ray emission enables astronomers to see how fast matter is swirling in the inner region of the disc, and ultimately to measure the black hole's spin rate.
Title Rapidly rotating black hole accreting matter
Released 27/02/2013 7:00 pm
Copyright NASA/JPL-Caltech
Description
ESA’s XMM-Newton and NASA’s NuSTAR have detected a rapidly rotating supermassive black hole in the heart of spiral galaxy NGC 1365. The rate at which a black hole spins encodes the history of its formation. An extremely rapid rotation could result from either a steady and uniform flow of matter spiralling in via an accretion disc (as shown in this artist impression) or as a result of the merger of two galaxies and their smaller black holes.
Also depicted in this image is an outflowing jet of energetic particles, believed to be powered by the black hole’s spin. The regions near black holes contain compact sources of high energy X-ray radiation thought, in some scenarios, to originate from the base of these jets. The nature of the X-ray emission enables astronomers to see how fast matter is swirling in the inner region of the disc, and ultimately to measure the black hole's spin rate.
Se cree que los agujeros negros supermasivos acechan desde los centros de casi todas las grandes galaxias, y los científicos consideran que la evolución de las galaxias está inextricablemente ligada a la evolución de sus agujeros negros.
Se estima que la velocidad de rotación de un agujero negro refleja la historia de su formación. En esta imagen, un agujero negro que crece de manera constante, alimentado por un flujo uniforme de material en espiral que cae sobre él, no debería girar a esas altas velocidades. La rotación veloz podría también ser el resultado de la fusión de dos agujeros negros más pequeños.
Por otro lado, un agujero negro zarandeado por pequeñas aglomeraciones de material golpeando desde todas direcciones, terminaría rotando de un modo relativamente más lento.
Estos escenarios reflejan la propia formación de la galaxia, dado que una fracción de toda la materia atraída hacia la galaxia acaba llegando al agujero negro. Por este motivo, los astrónomos están deseando medir los índices de rotación de los agujeros negros en el corazón de las galaxias.
Una forma de hacerlo es observar los rayos X emitidos por el gas caliente de un disco justo fuera del “horizonte de sucesos”, los límites que rodean a un agujero negro más allá de los cuales nada, ni siquiera la luz, puede escapar.
En particular, los átomos calientes de hierro producen una fuerte señal de rayos X en un rango de energía muy específico, desdibujado por la rotación del agujero negro. La naturaleza de este emborronamiento puede utilizarse para inferir el índice de rotación.
Utilizando esta técnica, observaciones previas han sugerido que en algunas galaxias hay agujeros negros que giran a velocidades extremadamente altas. Sin embargo, confirmar el índice de rotación ha sido muy difícil, ya que el espectro de los rayos X también puede emborronarse debido a la presencia de absorbentes nubes de gas que se encuentren cerca del disco. Hasta ahora, ha sido imposible separar ambos escenarios.
Durante cerca de 36 horas, en Julio de 2012, el satélite XMM-Newton de la ESA y el satélite de la NASA NuSTAR –Nuclear Spectroscopic Telescope Array– observaron simultáneamente la galaxia espiral NGC 1365. XMM-Newton capturó los rayos X de energía más baja, mientras que NuSTAR captó los datos de energías más altas.
Los datos combinados probaron ser la clave para descifrar el enigma. Un modelo de agujero negro girando hace una clara predicción de la proporción de rayos X de altas energías y rayos X de bajas energías. Lo mismo puede decirse para las nubes absorbentes de gas.
Pero hay que destacar que las predicciones son diferentes y los nuevos datos solo coinciden con un escenario de agujero negro en rotación.
“Podemos descartar por completo el modelo de absorción”, afirma Guido Risaliti, INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri (Italia), quien lideró esta investigación.
“Ahora que sabemos cómo medir índices de rotación de agujeros negros, podemos usarlos para inferir la evolución de sus galaxias anfitrionas”.
El agujero negro de NGC 1365 gira a una velocidad cercana a la de la luz. Esto sugiere que la galaxia ha crecido de manera continua a lo largo del tiempo, con un flujo constante de material cayendo al agujero negro central.
Sin embargo, los astrónomos aún no pueden descartar un único y enorme evento en el que dos galaxias y, posteriormente, sus agujeros negros, se hubieran fusionado, produciendo una súbita aceleración del agujero negro supermasivo resultante.
Medir la velocidad de rotación del agujero negro también nos facilita una nueva forma de probar la relatividad general. Publicada en 1915, la relatividad general es la descripción que Albert Einstein hace de la gravedad. Predice efectos que pueden verse con más facilidad en campos gravitatorios extremadamente fuertes, como los encontrados cerca de los agujeros negros.
“Tanto la física como la astrofísica se benefician de estos resultados” afirma el Dr. Risaliti, que ya está aplicando la técnica de medición de rayos X en varias galaxias.
“El resultado es un gran ejemplo de la sinergia que puede alcanzarse cuando se utilizan conjuntamente misiones espaciales complementarias. Habría sido imposible obtener estos resultados sin el tándem formado por los dos satélites trabajando juntos”, dice Norbert Schartel, Científico responsable del proyecto XMM-Newton de la ESA.
Por otro lado

Investigadores del IAC descubren la misteriosa estructura de un agujero negro situado de canto

La investigación aparece publicada en el último número de la revista 'Science'
  • Swift J1357.2-0933 presenta un agujero negro oscurecido por un disco de gas con una estructura vertical (similar a la de un "donut") que va creciendo conforme pasan los días
  • Se trata de la primera vez que se observa un agujero negro con esta inclinación y la primera vez que se detectan eclipses de brillo en este tipo de sistemas
  • La estructura descrita por el estudio podría estar presente en muchos otros sistemas, convirtiendo a Swift J1357.2-0933 en el prototipo de una población hasta ahora oculta de sistemas con muy alta inclinación
Vista de canto del disco de acreción, tal y como se observa desde la Tierra. En su interior se aprecia una estructura elevada (como un "donut") que produce eclipses a la luz procedente de las partes internas del disco, las más cercanas al agujero negro. Este "donut" gira en torno al agujero negro en unos pocos minutos y los eclipses que produce se repiten a intervalos más o menos regulares. Créditos: Gabriel Pérez Díaz, Servicio MultiMedia (IAC)
Vista de canto del disco de acreción, tal y como se observa desde la Tierra. En su interior se aprecia una estructura elevada (como un "donut") que produce eclipses a la luz procedente de las partes internas del disco, las más cercanas al agujero negro. Este "donut" gira en torno al agujero negro en unos pocos minutos y los eclipses que produce se repiten a intervalos más o menos regulares. Créditos: Gabriel Pérez Díaz, Servicio MultiMedia (IAC)

Como si se tratara de un enorme “donut” (o toroide) que va creciendo conforme pasan los días. Así describe el investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) Jesús Corral la peculiar estructura, desconocida hasta la fecha, del sistema binario Swift J1357.2-0933, compuesto por una estrella ‘normal’ y un agujero negro de masa estelar (que se alimenta de la estrella compañera). La investigación, de la que Corral es primer autor y que aparece publicada en el último número de Science, ha seguido los pasos de la fase de erupción del sistema, un hecho que solo ocurre una vez cada decenas o cientos de años.
El equipo observó unos extraños eclipses en el sistema que duraban y se repetían cada pocos minutos. Este hallazgo les llevó a dos conclusiones: el agujero negro debía estar casi de canto (tiene una inclinación de al menos 75 grados) y presenta una peculiar estructura vertical situada en el disco de acreción del sistema, es decir, el conjunto de la materia que el agujero va robando de la estrella y que forma una corriente en forma de disco, similar a la que genera el agua al destapar un fregadero.
Como explica el también investigador del IAC Jorge Casares, coautor del artículo y director de la investigación, “es posible que este tipo de estructuras estén presente en todas o muchas binarias de rayos X, conjunto de sistemas al que pertenece Swift J1357.2-0933. De esta manera, el objeto que hemos observado podría ser el prototipo de una población hasta ahora oculta de sistemas con muy alta inclinación en los que el agujero negro se encuentra oscurecido”. Aplicando reglas estadísticas, podrían ser un porcentaje de hasta el 20% de los sistemas de este tipo.
El astrofísico relata que, los agujeros negros se forman a partir de la muerte de estrellas muy masivas y, de entrada, resulta complicado encontrarlos: “al no emitir luz, es casi imposible detectarlos si se hallan solos. En caso de que formen sistema con una estrella, la probabilidad de observación es más alta, dado que lo que se ve es el proceso de 'canibalización' de la estrella por parte del agujero”, explica. De esta manera se entiende que, desde que se detectó el primero en 1964, sólo se hayan confirmado otros 18 agujeros negros en nuestra galaxia. Swift J1357.2-0933, descubierto por el satélite de rayos X Swift en 2011 y estudiado por el equipo del IAC, es el último en la lista. Hay aproximadamente otros 32 más considerados como candidatos a agujero negro, pero todavía no se han confirmado.
Representación de la binaria de rayos X (Swift J1357.2-0933) formada por una estrella roja (tipo espectral M) que gira en torno a un agujero negro rodeado por un disco de acreción. La vista superior ayuda a interpretar la morfología del sistema, si bien en realidad estamos viéndolo casi de canto. La estrella gira a razón de una vuelta cada 2,8 horas en torno al agujero negro.
En la vista de canto se aprecia una estructura elevada (como un "donut") en el disco de acreción que produce eclipses a la luz procedente de las partes internas del disco, las más cercanas al agujero negro. Este "donut" gira en torno al agujero negro en unos pocos minutos y se repiten a intervalos más o menos regulares como puede verse en la gráfica superior izquierda.
Con el paso de los días, el "donut" aumenta su tamaño propagándose como una onda en el disco de acreción. Como consecuencia, la duración de los eclipses aumenta ya que ahora se encuentra más alejado del agujero negro, tal como puede verse en la gráfica superior derecha.
Muchas binarias de rayos X se caracterizan por permanecer en quietud durante decenas o cientos de años y, en este estado, es fácil confundirlos con estrellas corrientes. Sin previo aviso y en cualquier punto de la galaxia, estos sistemas erupcionan, provocando que el brillo que emiten aumente de forma considerable –casi 1 millón de veces- , lo que permite su detección por los satélites que hacen rastreo de emisiones de rayos X. Al cabo de unos meses, vuelven a su letargo.
Es entonces, agrega Corral, cuando la comunidad científica puede analizar su estructura: una estrella ‘normal’ y un objeto compacto, que puede ser un agujero negro (como en este caso) o una estrella de neutrones. La estrella transfiere materia a su compañero formando el mencionado disco de acreción.
En el caso de Swift J1357.2-0933, prosigue el investigador del IAC, se han podido recabar más datos debido a su relativa cercanía, estimada en unos 5.000 años luz, y a que se halla lejos del plano de la Vía Láctea, donde se concentra la mayor parte de la materia, con lo que su luz no se ve contaminada por polvo interestelar o la luz de objetos próximos.
Los científicos detectaron que el sistema tiene un periodo muy corto, de apenas 2,8 horas. En ese tiempo, la estrella completa una órbita en torno al agujero negro. Otra de las cuestiones que aclararon fue la masa del agujero, al menos 3 veces la del sol. “Se trata del límite inferior que hemos estimado. En realidad, la masa puede ser muy superior. Nuevas observaciones durante el periodo de quietud permitirán precisar este valor”, puntualiza Corral.
Sin embargo, el hallazgo más insólito del sistema fueron sus eclipses. A partir de imágenes captadas con diferentes telescopios de los observatorios del Teide y del Roque de los Muchachos (IAC-80, Liverpool, Mercator e INT), observaron que se producían eclipses que reducían el brillo del sistema hasta un 30% en solo siete segundos y que se van repitiendo en intervalos mayores al cabo de los días. “Es la primera vez que se observa un fenómeno de estas características. Ninguna de las 50 binarias de rayos X transitorias conocidas (18 con agujeros negros confirmados y 32 candidatos) presenta eclipses producidos por la estrella”, señala el astrofísico del IAC.
¿A qué se deben? Los investigadores tenían claro que no los producía la estrella del sistema, ya que tarda 2,8 horas en girar en torno al mismo, y los eclipses, que se producen cada pocos minutos, son extremadamente cortos. Corral aporta más datos: “El periodo en el que se repiten los eclipses es cada vez mayor con el paso de los días. Este hecho sugiere que están producidos por una estructura vertical que inicialmente está muy cerca del agujero negro y que poco a poco se va alejando como una onda desde las partes internas del disco de acreción hacia fuera.
Este descubrimiento lleva aparejado un segundo: “El simple hecho de detectar los eclipses ya indica que el sistema se encuentra a una inclinación muy alta, mayor incluso de 75 grados. En definitiva, lo vemos casi de canto”, precisa el científico. Y así describe la estructura: “es probablemente como un "donut": en el centro se localiza el agujero negro que está permanentemente oculto.”

Animación artística:
Icono vídeoPrevisualización / Descargar vídeo: MOV, 85 MB (ver descripción) Duración: 42 segundos. Full HD 1920 x 1080. Codec H264) Créditos: Gabriel Pérez Díaz, Servicio MultiMedia (IAC)
Más información:
Contacto:
  • Jesús Corral: (jcorral@iac.es) 922 605 242 / 628 834 359.
  • Jorge Casares: (jcv@iac.es) 922 605 258


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