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Científicos de la NASA desarrollan una técnica pionera para “pesar” agujeros negros

La naturaleza de las fuentes de rayos X ultraluminosos (ULX) siguen siendo controvertidas, pero muchos astrónomos piensan que algunos o la mayoría de estos objetos constan de un agujero negro de masa intermedia que agrega materia de una estrella compañera. Las recientes pruebas sugieren que un ULX en la galaxia NGC 5408 tiene un agujero negro con una masa de unos 2000 soles. Crédito: NASA

Dos astrofísicos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, Nikolai Shaposhnikov y Lev Titarchuk, ha probado con éxito un nuevo método para determinar la masa de los agujeros negros.

Esta elegante técnica, que fue sugerida por primera vez por Titarchuk en 1998, demuestra que el agujero negro del sistema binario conocido como Cygnus X-1 contiene una masa de 8,7 soles, con un margen de error de sólo 0,8 masas solares.

Cygnus X-1 fue el primer candidato convincente a agujero negro que surgió a principios de los años 70. El sistema consta de una estrella azul supergigante y una masiva pero invisible compañera. Las observaciones ópticas del bamboleo de la estrella han sugerido que el objeto invisible es una agujero negro que tiene unas diez veces la masa solar. “Este acuerdo nos da mucha confianza en que nuestro método funciona", dice Shaposhnikov.

"Nuestro método puede determinar la masa de un agujero negro cuando fallan las técnicas alternativas", añade Titarchuk, que también es profesor investigador en la Universidad George Mason en Arlington, Virginia, y además trabaja en el Laboratorio de Investigación Naval en Washington. Shaposhnikov trabaja para la Asociación de Universidades para la Investigación Espacial, una parte del Centro de Investigación y Exploración en Ciencias Espacial y Tecnología dentro de NASA Goddard.

Trabajando de forma independiente, Tod Strohmayer y Richard Mushotzky de Goddard y cuatro colegas usaron la técnica de Titarchuk para estimar que una fuente de rayos X ultraluminosos en la pequeña y cercana galaxia NGC 5408 aloja un agujero negro con una masa de unos 2000 soles.

El artista Dana Berry representa un sistema binario similar a Cygnus X-1. Consta de una estrella supergigante azul (derecha) y un agujero negro. El agujero negro está rodeado de un disco de acreción gaseoso que se alimenta de la estrella. Algunos agujeros negros emiten chorros a lo largo de su eje polar como se muestras aquí. Crédito: NASA / Honeywell Max-Q Digital Group / Dana Berry

"Este es uno de los mejores indicadores hasta la fecha de un agujero negro de masa intermedia", dice Strohmayer. Este tipo de agujero negro rellena un gran hueco entre los agujeros negros como los de Cygnus X-1, que provienen del colapso de estrellas masivas y contienen tal vez de 5 a 20 masas solares, y los monstruosos agujeros negros que contienen millones o incluso miles de millones de masas solares, que merodean en los núcleos de las grandes galaxias.

El método de Titarchuk se aprovecha de la relación entre un agujero negro y el disco de material giratoria que lo rodea, llamado disco de acreción. El gas que orbita en estos discos finalmente cae en el agujero negro. Cuando el ratio de acreción del agujero negro se eleva a un nivel mayor, el material se acumula cerca del agujero negro en una región caliente que Titarchuk compara con un atasco de tráfico. Titarchuk ha demostrado que la distancia de un agujero negro al lugar donde ocurre esta congestión es directamente proporcional a la masa del agujero negro. Cuando más masivo sea el agujero negro, más alejada se encuentra esta congestión del agujero negro y es más largo el periodo orbital.

En su modelo, el gas caliente acumulado en la región del atasco está relacionado con las observaciones de las variaciones en la intensidad de los rayos X que se repiten de forma cercana pero no perfectamente periódica. Estas oscilaciones cuasi-periódicas (QPOs) ase observan en muchos sistemas de agujeros negros. Las QPOs están acompañadas por cambios simples y predecibles en el espectro del sistema cuando el gas que lo rodea se calienta y enfría en respuesta a los cambios en el ratio de la acreción. Observaciones temporales precisas del satélite Explorador Sincrónico de Rayos-X Rossi de NASA (RXTE) han mostrado una estrecha relación entre la frecuencia de las QPOs y el espectro, diciendo a los astrónomos cómo de eficiente es la producción de rayos-X del agujero negro.

Esta imagen del telescopio de 3,6 metros del Observatorio Europeo del Sur muestran emisiones de gas caliente e ionizado en la galaxia NGC 5408. La Fuente de rayos-X Ultraluminosos NGC 5408 X-1 está alineada. Crédito: Roberto Soria / Manfred Pakull / Observatorio Europeo del Sur

Usando el RXTE, Shaposhnikov y Titarchuk han aplicado este método a tres agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxia de la Vía Láctea, y demuestran que las masas derivadas de las QPOs coinciden con las medidas de la masa tomadas usando otras técnicas. El artículo que esboza sus resultados está programado para aparecer en el número del 1 de julio de la revista Astrophysical Journal.

Usando el observatorio de rayos-X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, Strohmayer, Mushotzky, y sus colegas detectaron dos QPOs en NGC 5408 X-1. Este objeto es la fuente de rayos-X más brillante en la irregular galaxia NGC 5408, a 16 millones de años-luz de la Tierra en la constelación de Centauro. Las frecuencias de las QPO, así como la luminosidad y características espectrales de la fuente, implican que está propulsada por un agujero negro de masa intermedia.

"Teníamos otras dos formas de estimar la masa del agujero negro, y los tres métodos concordaron en un factor de dos”, dice Mushotzky. "No tenemos pruebas de que sea un agujero negro de masa intermedia, pero la preponderancia de las evidencias así lo sugiere".

La existencia de IMBHs permanece en duda debido a que no hay una aceptación del mecanismo por que cual se formarían. Uno de los coautores del estudio, Roberto Soria del Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica en Cambridge, Massachusetts cree que la masa del agujero negro estaría cercana a los 100 soles.

Traducido para Astroseti.org por
Manuel Hermán

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Web Site: NASA.gov
Artículo: “NASA Scientists Pioneer Technique for "Weighing" Black Holes”
Autor: Bob Naeye
Fecha Original: 9 de mayo de 2007
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