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Flexión de la luz y ecos de rayos X detrás de un agujero negro supermasivo
El entorno magnético y gravitatorio que rodea a un agujero negro es tan extremo que deberíamos ver cómo la luz se dobla a su alrededor y se refleja hacia el observador desde detrás del agujero negro, al menos según las predicciones teóricas de la relatividad general de Einstein.
Ahora, por primera vez, los astrónomos han detectado directamente esta luz reflejada, en forma de ecos de rayos X procedentes de un agujero negro supermasivo situado a 800 millones de años luz, en una galaxia llamada I Zwicky 1 (I Zw 1). Esto confirma finalmente la predicción de Einstein y arroja más luz sobre los objetos más oscuros del Universo.
"Toda la luz que entra en ese agujero negro no sale, por lo que no deberíamos ser capaces de ver nada que esté detrás del agujero negro", dijo el astrofísico Dan Wilkins, de la Universidad de Stanford.
"La razón por la que podemos ver [los ecos de rayos X] es porque ese agujero negro está deformando el espacio, doblando la luz y retorciendo los campos magnéticos a su alrededor".
El espacio que rodea a un agujero negro tiene varios componentes. Está el horizonte de sucesos, el famoso "punto de no retorno", en el que ni siquiera la velocidad de la luz es suficiente para alcanzar la velocidad de escape.
Un agujero negro activo como I Zw 1* también tiene un disco de acreción. Se trata de un enorme disco aplanado de polvo y gas que se arremolina en el objeto, como el agua que da vueltas a un desagüe.
Este disco se calienta increíblemente debido a las influencias de la fricción y del campo magnético, tanto que los electrones son arrancados de los átomos, formando un plasma magnetizado.
Justo fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro activo, dentro del borde interior del disco de acreción, es donde se encuentra la corona. Se trata de una región de electrones abrasadoramente calientes que, según se cree, está alimentada por el campo magnético del agujero negro.
El campo magnético se retuerce tanto que se rompe y se vuelve a conectar, un proceso que, en el Sol, lanza potentes erupciones. En un agujero negro, la corona actúa como un sincrotrón para acelerar los electrones hasta alcanzar energías tan altas que brillan en longitudes de onda de rayos X.
"Este campo magnético que se ata y se acerca al agujero negro calienta todo a su alrededor y produce estos electrones de alta energía que luego pasan a producir los rayos X", explicó Wilkins.
Algunos de los fotones de rayos X irradian el disco de acreción y son reprocesados, a través de procesos como la absorción fotoeléctrica y la fluorescencia, y luego reemitidos, en lo que se denomina eco de reverberación, y que se conoce como "reflexión" en el espectro de rayos X. Esta emisión por reflexión puede utilizarse para cartografiar la región más cercana al horizonte de sucesos de un agujero negro.
Wilkins y su equipo querían estudiar esta misteriosa corona cuando empezaron a examinar I Zw 1*. Tomaron observaciones de la galaxia en enero de 2020 utilizando dos observatorios de rayos X, NUStar y XMM-Newton.
Vieron las esperadas llamaradas de rayos X en los datos, pero luego encontraron algo que no esperaban: destellos más pequeños y posteriores de luz de rayos X en una parte diferente del espectro.
Wilkins se dio cuenta de que se trataba de reflejos procedentes de la parte posterior del agujero negro, cuyas trayectorias se doblaban alrededor del objeto masivo por su increíblemente fuerte campo gravitatorio, y su luz se magnificaba.
"Llevaba unos años construyendo predicciones teóricas sobre cómo nos aparecen estos ecos", explicó Wilkins. "Ya los había visto en la teoría que he estado desarrollando, así que una vez que los vi en las observaciones del telescopio, pude averiguar la conexión".
Es gratificante, una vez más, confirmar otra predicción clave de la relatividad general, pero el descubrimiento es emocionante también por un par de razones más.
En primer lugar, es realmente impresionante descubrir algo nuevo sobre los agujeros negros. Son bichos cósmicos tan complicados -al ser invisibles y con un espacio tan extremo a su alrededor- que los estudios de observación son todo un reto.
"También es una medida de lo lejos que hemos llegado, que podemos hacer este tipo de observaciones granulares, tanto con nuestra instrumentación como con nuestras técnicas analíticas". Según los investigadores, la ciencia de los agujeros negros no hará más que mejorar, ya que una nueva generación de telescopios está a punto de abrir sus ojos al cielo.
"La imagen que estamos empezando a obtener de los datos en este momento va a ser mucho más clara con estos nuevos observatorios", dijo Wilkins.
Fuentes, créditos y referencias:
"Light bending and X-ray echoes from behind a supermassive black hole" by D. R. Wilkins, L. C. Gallo, E. Costantini, W. N. Brandt & R. D. Blandford, 28th July 2021, Nature.
doi.org/10.1038/s41586-021-03667-0
Imagen: Crédito: Dan Wilkins