Agujero negro arroja átomos: cielo y telescopio

Los metales ionizados detectados en el chorro salieron disparados por un agujero negro.

Cuando un bebé te escupe, el contenido de ese escupitajo es algo irrelevante. Lo mismo podría parecer cierto para los agujeros negros. Los agujeros negros son comedores desordenados: gran parte de su comida termina tirada como vientos o chorros en lugar de bajar por sus gargantas. Puede pensar que, mientras el material desechado no lo golpee, no necesita preocuparse por lo que es.

Pero las partículas que forman el chorro de un agujero negro son importantes, y es sorprendentemente difícil ver cuáles son esas partículas. Los astrónomos saben que las líneas retorcidas del campo magnético de los agujeros negros lanzan los chorros: el material sale disparado a lo largo de estas líneas como si fueran perlas en un alambre giratorio. Pero no saben si el material proviene del disco de acreciónque contiene electrones y protones, o si se origina en la corriente justo fuera del agujero negroque llenaría el chorro con electrones y sus contrapartes de antimateria, los positrones.

Esa distinción podría ser importante para cosas en el camino del avión. Tanto un protón como un positrón tienen carga positiva, pero un protón es unas 1800 veces más masivo. “Desde la perspectiva de las cosas con las que te topas, se trata de la diferencia de un linebacker que te choca [versus] una pelota de tenis”, explica Gregory Sivakoff (Universidad de Alberta). «Por supuesto, dado que te están atropellando a casi la velocidad de la luz, tampoco te alegrará que te atropelle».

Los protones se revelarían a través de líneas de emisión de átomos ionizados (porque los átomos tienen protones en sus núcleos). Hasta ahora, solo un agujero negro ha mostrado evidencia clara de protones, pero es un sistema extraño y sus chorros probablemente sean atípicos.

Ahora, María Díaz Trigo (ESO) y sus colegas parecen haber finalmente detectado la firma de protones en el chorro de un agujero negro de masa estelar que engulle material de su estrella compañera. El sistema, 4U 1630-47, se encuentra justo al sur de Scorpius y ocasionalmente dispara un chorro. El equipo lo observó en radio con el Australia Telescope Compact Array y en rayos X con el XMM-Newton de la ESA. Cuando se encendió el chorro (visto en la radio), los astrónomos detectaron líneas de emisión de hierro y níquel ionizados (visto en rayos X).

Lo que hace que la señal de estos metales altamente ionizados sea única es que el material parece moverse a aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz. Eso es un par de cientos de veces la velocidad de los vientos que pueden expulsar el disco de acreción en forma de tutú, por lo que parece que los átomos, y por lo tanto los protones, están en el chorro mismo.

Este es un gran problema, dice Jeffrey McClintock (Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian). La composición de los jets ha sido un rompecabezas difícil de desentrañar y, a excepción de esa otra fuente solitaria, descubierta por primera vez en la década de 1970, nadie ha descubierto definitivamente los protones jet antes.

“Me quedé impresionado”, dice Sivakoff. «Se necesita hacer más trabajo para confirmar estos resultados, pero parece que esto es una gran indicación de chorros ricos en protones».

La presencia de protones implica que el disco de acreción impulsa el chorro. El disco está entretejido con campos magnéticos, y mientras alimenta el agujero negro, empuja esas líneas de campo magnético dentro de la boca de la bestia hasta que ensartan el agujero negro como una aceituna enhebrada en hilos de espagueti. En este escenario, es el material del disco el que se canaliza a lo largo de las hebras magnéticas.

La importancia del disco de acreción no sorprende: los chorros suelen aparecer cuando una corona considerable de gas ionizado crece alrededor del disco de un agujero negro. Es difícil entender por qué sucedería eso si el disco no estuviera involucrado en la creación del avión, dice Sivakoff.

Pero la respuesta final probablemente no sea un mecanismo u otro. Los protones también podrían contaminar un chorro gracias al entorno que lo rodea; incluso si ese no es el caso aquí, podría ser en otro lugar. “Muchas veces en astronomía eventualmente descubrimos que al considerar entre la opción A y la B, ambas contribuyen”, dice Sivakoff. “Llamo a esto el efecto del menú chino”.

Si los chorros realmente contienen protones, podrían crear rayos gamma y neutrinos cuando chocan contra el material circundante, sugiere el equipo de Díaz Trigo. Hasta ahora, los observatorios de neutrinos han tenido mala suerte en la detección de fuentes individuales, pero eso podría deberse a que aún no son lo suficientemente sensibles. Las observaciones de rayos gamma con el telescopio espacial Fermi y otros instrumentos podrían tener mejor suerte.

Referencia: M. Díaz Trigo et al. “Bariones en los chorros relativistas del candidato a agujero negro de masa estelar 4U 1630-47.” Naturalezapublicado en línea el 13 de noviembre de 2013.