Los estudios de uno de los sistemas binarios de agujeros negros más activos de la galaxia han mostrado un cambio dramático que ayudará a los científicos a comprender mejor cómo estos sistemas expulsan chorros de partículas a gran velocidad.
Los sistemas binarios en los que una estrella normal se encuentra emparejada con un agujero negro producen a menudo grandes variaciones en su emisión en rayos X y expulsan chorros de gas a velocidades superiores a un tercio de la velocidad de la luz. Lo que provoca esta actividad es el gas capturado a la estrella normal, que se precipita en espiral hacia el agujero negro y se acumula en un denso disco de acrecimiento.
"Cuando una gran cantidad de gas fluye, el disco denso llega casi hasta el agujero negro", comenta John Tomsick de la Universidad e California, Berkeley. "Pero, cuando el flujo se reduce, el gas que está cerca del agujero negro se calienta, resultando la evaporación de la parte más interior del disco". Nunca antes habían mostrado los astrónomos una indicación no ambigua de esta transformación.
Para observar este efecto, Tomsick y un grupo internacional de astrónomos apuntaron a GX 339-4, un sistema binario de rayos X de baja masa situado a unos 26.000 años luz de distancia en la constelación de Ara. Allí, cada 1,7 días, una estrella no más masiva que el Sol gira alrededor de un agujero negro de unas 10 masas solares. Con cuatro explosiones importantes en los últimos siete años, GX 339-4 es uno de los sistemas binarios más dinámicos del cielo.
En septiembre de 2008, diecinueve meses después del estallido más reciente del sistema, el equipo observó a GX 339-4 usando al observatorio en órbita de rayos X Suzaku, que es operado conjuntamente por la Agencia de Exploración Aeroespacial y la NASA. Al mismo tiempo, el equipo también observó el sistema con el satélite Rossi de rayos X de la NASA.
Los instrumentos de ambos satélites indican que el sistema era débil, pero con un estado activo, ya que los agujeros negros son conocidos por producir chorros de material constantemente. Los datos de radio del Australia Telescope Compact Array (algo así como Telescopio de Australia de serie Compacta) confirmaron que los chorros de GX 339-4 se habían 'encendido' cuando los satélites los habían observado.
A pesar de la debilidad del sistema, Suzaku fue capaz de medir la línea crítica espectral en rayos X producida por la fluorescencia de los átomos de hierro. "La sensibilidad de Suzaku a las líneas de emisión de hierro y su capacidad para medir las formas de esas líneas nos deja ver un cambio en el disco de acreción que sólo ocurre en baja luminosidad", dijo el miembro del equipo Kazutaka Yamaoka de la Universidad Aoyama Gakuin de Japón.
Los fotones de rayos X emitidos por las regiones del disco más cercanas al agujero negro experimentan efectos gravitacionales más fuertes. Los rayos X pierden energía y producen una señal característica. En su máximo brillo, los rayos X de GX 339-4 se encuentran a unas 20 millas dentro del agujero negro. Pero las observaciones de Suzaku indican que, en bajo brillo, el borde interior del disco de acreción se retira no menos que 600 millas.
"Vemos emisiones sólo desde el gas más denso, donde muchos de los átomos de hierro están produciendo rayos X, pero la emisión se detiene cerca del agujero negro; el disco de alta densidad ha desaparecido", explicó Philip Kaaret de la Universidad de Iowa. "Lo que realmente está sucediendo es que el ritmo de acreción baja, el denso disco interior disminuye a uno más tenue pero de gas más caliente, algo así como convertir agua en vapor".
El denso disco central tiene una temperatura de alrededor de 20 millones de grados, pero el disco delgadado y 'evaporado' puede ser más de mil veces más caliente.
El estudio, que aparece en la edición del 10 de diciembre de The Astrophysical Journal Letters, confirma la presencia de flujo de baja densidad en estos sistemas. También muestra que GX 339-4 puede producir chorros, incluso cuando la parte más densa del disco está muy lejos del agujero negro.
"Esto no nos dice cómo se forman los chorros, pero sí nos dice que los chorros se puede iniciar incluso cuando la alta densidad del flujo de acreción está lejos del agujero negro", dijo Tomsick. "Esto significa que la baja densidad de flujo de acreción es el ingrediente más esencial para la formación de un chorro constante en un sistema de agujero negro".
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Los sistemas binarios en los que una estrella normal se encuentra emparejada con un agujero negro producen a menudo grandes variaciones en su emisión en rayos X y expulsan chorros de gas a velocidades superiores a un tercio de la velocidad de la luz. Lo que provoca esta actividad es el gas capturado a la estrella normal, que se precipita en espiral hacia el agujero negro y se acumula en un denso disco de acrecimiento.
"Cuando una gran cantidad de gas fluye, el disco denso llega casi hasta el agujero negro", comenta John Tomsick de la Universidad e California, Berkeley. "Pero, cuando el flujo se reduce, el gas que está cerca del agujero negro se calienta, resultando la evaporación de la parte más interior del disco". Nunca antes habían mostrado los astrónomos una indicación no ambigua de esta transformación.
Para observar este efecto, Tomsick y un grupo internacional de astrónomos apuntaron a GX 339-4, un sistema binario de rayos X de baja masa situado a unos 26.000 años luz de distancia en la constelación de Ara. Allí, cada 1,7 días, una estrella no más masiva que el Sol gira alrededor de un agujero negro de unas 10 masas solares. Con cuatro explosiones importantes en los últimos siete años, GX 339-4 es uno de los sistemas binarios más dinámicos del cielo.
En septiembre de 2008, diecinueve meses después del estallido más reciente del sistema, el equipo observó a GX 339-4 usando al observatorio en órbita de rayos X Suzaku, que es operado conjuntamente por la Agencia de Exploración Aeroespacial y la NASA. Al mismo tiempo, el equipo también observó el sistema con el satélite Rossi de rayos X de la NASA.
Los instrumentos de ambos satélites indican que el sistema era débil, pero con un estado activo, ya que los agujeros negros son conocidos por producir chorros de material constantemente. Los datos de radio del Australia Telescope Compact Array (algo así como Telescopio de Australia de serie Compacta) confirmaron que los chorros de GX 339-4 se habían 'encendido' cuando los satélites los habían observado.
A pesar de la debilidad del sistema, Suzaku fue capaz de medir la línea crítica espectral en rayos X producida por la fluorescencia de los átomos de hierro. "La sensibilidad de Suzaku a las líneas de emisión de hierro y su capacidad para medir las formas de esas líneas nos deja ver un cambio en el disco de acreción que sólo ocurre en baja luminosidad", dijo el miembro del equipo Kazutaka Yamaoka de la Universidad Aoyama Gakuin de Japón.
Los fotones de rayos X emitidos por las regiones del disco más cercanas al agujero negro experimentan efectos gravitacionales más fuertes. Los rayos X pierden energía y producen una señal característica. En su máximo brillo, los rayos X de GX 339-4 se encuentran a unas 20 millas dentro del agujero negro. Pero las observaciones de Suzaku indican que, en bajo brillo, el borde interior del disco de acreción se retira no menos que 600 millas.
"Vemos emisiones sólo desde el gas más denso, donde muchos de los átomos de hierro están produciendo rayos X, pero la emisión se detiene cerca del agujero negro; el disco de alta densidad ha desaparecido", explicó Philip Kaaret de la Universidad de Iowa. "Lo que realmente está sucediendo es que el ritmo de acreción baja, el denso disco interior disminuye a uno más tenue pero de gas más caliente, algo así como convertir agua en vapor".
El denso disco central tiene una temperatura de alrededor de 20 millones de grados, pero el disco delgadado y 'evaporado' puede ser más de mil veces más caliente.
El estudio, que aparece en la edición del 10 de diciembre de The Astrophysical Journal Letters, confirma la presencia de flujo de baja densidad en estos sistemas. También muestra que GX 339-4 puede producir chorros, incluso cuando la parte más densa del disco está muy lejos del agujero negro.
"Esto no nos dice cómo se forman los chorros, pero sí nos dice que los chorros se puede iniciar incluso cuando la alta densidad del flujo de acreción está lejos del agujero negro", dijo Tomsick. "Esto significa que la baja densidad de flujo de acreción es el ingrediente más esencial para la formación de un chorro constante en un sistema de agujero negro".
