Justo antes de que la materia sea engullida por un hambriento agujero negro, gira enloquecidamente a su alrededor a una velocidad cercana a la de la luz.

Todo el firmamento está lleno de un difuso resplandor de alta energía: el fondo cósmico de rayos-X. En los últimos años, los astrónomos pudieron demostrar que casi toda esta radiación puede ser completamente asociada con objetos individuales. En forma similar Galileo Galilei, a comienzos del siglo XVII, pudo resolver la luz de la Vía Láctea en estrellas individuales.

Concepción artística de un flujo relativístico de materia alrededor de un agujero negro en rápida rotación que se encuentra en el centro de un disco de acreción (en naranja). En la cercanía inmediata del agujero negro, la huella dactilar espectral característica de los átomos de hierro es diseminada por los efectos relativísticos. La luz proveniente de los átomos que se mueven hacia el observador aparece corrida hacia longitudes de onda más cortas (en azul) y es mucho más brillante que la de los que están en la porción del disco que se aleja (en rojo). Además, la imagen del disco en la vecindad del agujero negro aparece combada por la fuerte curvatura del espacio-tiempo. Crédito: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

El fondo cósmico de rayos-X se origina en cientos de millones de agujeros negros supermasivos, que se alimentan de la materia existente en el centro de sistemas galácticos distantes. Como los agujeros negros están acretando masa, los observamos en el fondo de rayos-X durante su fase de crecimiento. En el universo actual, los agujeros masivos se encuentran en los centros de prácticamente todas las galaxias cercanas.

Cuando la materia se precipita en el abismo de un agujero negro, se acelera girando en el maëlstrom cósmico hasta casi alcanzar la velocidad de la luz y se calienta tanto que comienza a emitir su “último grito de ayuda” en la forma de radiación de alta energía, antes de desvanecerse para siempre.

Por lo tanto, los agujeros negros están entre los objetos más luminosos del universo, cuando se alimentan bien en los centros de las así llamadas galaxias activas. Los elementos químicos de la materia emiten rayos-X con longitudes de onda características y pueden, de esa forma, ser identificados a través de su “huella dactilar” espectral. Los átomos de hierro son una herramienta particularmente útil, puesto que este metal es muy abundante en el cosmos e irradia muy intensamente a altas temperaturas.

En forma muy parecida a las trampas de radas con las cuales la policía identifica a los vehículos que exceden los límites de velocidad, las velocidades relativísticas de los átomos de hierro que giran alrededor de un agujero negro pueden ser medidas a través de un corrimiento en su longitud de onda.

Por medio de una combinación de los efectos predichos por las teorías especial y general de la relatividad de Einstein se puede esperar en la radiación de rayos-X de un agujero negro una línea de perfil asimétrica característicamente ensanchada, es decir, una especie de huella dactilar esparcida o desparramada.

La relatividad especial postula que los relojes en movimiento marchan más despacio, y la relatividad general predice que los relojes marchan más despacio en la cercanía de grandes masas. Ambos efectos llevan a un corrimiento en la luz emitida por los átomos de hierro en la porción de longitudes de onda más largas del espectro electromagnético.

Sin embargo, si observamos desde un costado la materia que gira en el así llamado “disco de acreción”, la luz de los átomos que se mueven hacia nosotros parecen con un corrimiento hacia longitudes de onda más cortas y con un brillo mayor que aquellos que se alejan de nosotros. Estos efectos relativísticos son más fuertes cuanto más cerca está la materia del agujero negro. También, a causa de la curvatura del espacio-tiempo, son más fuertes en los agujeros negros que rotan rápidamente. En los pasados años ha sido posible hacer mediciones de líneas relativísticas de hierro en algunas pocas galaxias cercanas, las primeras de ellas en 1995 con el satélite japonés ASCA.

Ahora, los investigadores que acompañan a Günther Hasinger del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, unidos al grupo de Xavier Barcons del Instituto de Física español en Cantabria y Santander y a Andy Fabian del Instituto de Astronomía de Cambridge, Reino Unido, han descubierto esta huella dactilar ensanchada de átomos de hierro en la luz promedio de rayos-X en unos 100 agujeros negros distantes del fondo cósmico de rayos-X.

Los astrofísicos utilizaron el Observatorio XMM-Newton de rayos-X de la Agencia Espacial Europea (ESA = European Space Agency). Apuntaron el instrumento hacia un campo celeste en la constelación de la Osa Mayor durante más de 500 horas y descubrieron varios cientos de fuentes débiles de rayos-X.

A causa de la expansión del universo las galaxias se alejan de nosotros con una velocidad que va aumentando con su distancia, de modo que sus líneas espectrales aparecen todas en diferentes longitudes de onda, por lo cual los astrónomos tuvieron primero que corregir la luz de rayos-X de todos los objetos para el marco de reposo de la Vía Láctea.

Observatorio Espacial XMM-Newton de Rayos-X. Crédito: ESA

Las mediciones de distancia necesarias para más de 100 objetos se obtuvieron con el Telescopio Keck estadounidense. Luego de haber ajustado la luz de todos los objetos, los investigadores se vieron sorprendidos por la inesperadamente fuerte señal y la característica forma ensanchada de la línea del hierro.

A partir de la fuerza de la señal dedujeron la fracción de los átomos de hierro en la materia de acreción. Sorprendentemente, la abundancia química del hierro en los “alimentos” de estos agujeros negros relativamente jóvenes es unas tres veces mayor que la de nuestro sistema solar, que ha sido creado significativamente más tarde.

Por lo tanto, los centros de las galaxias del universo primitivo deben haber tenido un método particularmente eficiente para producir hierro, posiblemente a causa de que la actividad de formación estelar violenta genera los elementos químicos en una forma bastante rápida en las galaxias activas.

El grosor de la línea indicaba que los átomos de hierro debían estar irradiando muy cerca del agujero negro, lo que es consistente con la existencia de agujeros negros en rápida rotación.

La conclusión fue también lograda independientemente por otros grupos, que compararon la energía del fondo cósmico de rayos-X con la masa total de los agujeros negros “durmientes” en las galaxias cercanas.

Agradecemos a ImageShack por su repositorio gratuito de imágenes. - HRB

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Web Site: Universe Today
Artículo: “Matter Nears Light Speed Entering a Black Hole”
Fecha: Febrero 23, 2005

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Para Astroseti.org: Heber Rizzo Baladán

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