Por primera vez, un grupo de astrónomos ha investigado el entorno físico de las erupciones cíclicas de rayos X que ocurren cerca de los agujeros negros supermasivos, gracias a los datos del telescopio Explorador de la composición interior de las estrellas de neutrones (NICER, por sus siglas en inglés) de la NASA y de otras misiones.
Solo recientemente los científicos se han encontrado con esta clase de erupciones de rayos X, llamadas erupciones cuasi periódicas (QPE, por sus siglas en inglés). Un sistema que los astrónomos han apodado Ansky es solo la octava fuente de QPE que se haya descubierto, y produce las erupciones más energéticas vistas hasta la fecha. Ansky también ha establecido récords en términos de tiempo y duración, con erupciones cada 4,5 días, más o menos, que duran alrededor de 1,5 días.
“Estas QPE son fenómenos misteriosos e intensamente interesantes", dijo Joheen Chakraborty, estudiante de postgrado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. “Uno de los aspectos más intrigantes es su naturaleza cuasi periódica. Todavía estamos desarrollando las metodologías y los marcos que necesitamos para comprender las causas de las QPE; y las propiedades inusuales de Ansky nos están ayudando a mejorar esas herramientas”.
El nombre de Ansky proviene de ZTF19acnskyy, el apodo de un estallido de luz visible que fuera observado en 2019. Fue ubicado en una galaxia a unos 300 millones de años luz de distancia, en la constelación de Virgo. Este fenómeno fue el primer indicio de que algo inusual podría estar sucediendo.
Un artículo científico sobre Ansky, liderado por Chakraborty, fue publicado el 6 de mayo en The Astrophysical Journal.
Una teoría dominante sugiere que las QPE ocurren en sistemas donde un objeto astronómico de masa relativamente liviana pasa a través del disco de gas que rodea un agujero negro supermasivo que contiene entre cientos de miles y miles de millones de veces la masa del Sol.
Cuando el objeto de menor masa atraviesa el disco, su paso expulsa nubes de gas caliente en expansión que observamos como las QPE en la vista de rayos X.
Los científicos creen que su cuasi periodicidad se debe a que la órbita del objeto más pequeño no es perfectamente circular y este se mueve en espiral hacia el agujero negro a lo largo del tiempo. Además, la gravedad extrema cerca del agujero negro deforma el tejido del espacio-tiempo, alterando las órbitas del objeto de modo que este no se va cerrando sobre sí mismo con cada ciclo. La comprensión actual de los científicos sugiere que las erupciones se van repitiendo hasta que el disco desaparece o el objeto en órbita se desintegra, lo que puede tardar un máximo de unos pocos años.
“Las propiedades extremas de Ansky pueden deberse a la naturaleza del disco que está alrededor de su agujero negro supermasivo”, dijo Lorena Hernández-García, astrofísica del Núcleo Milenio sobre Investigación y Tecnología Transversal para Explorar Agujeros Negros Supermasivos, el Instituto Milenio de Astrofísica y la Universidad de Valparaíso en Chile. “En la mayoría de los sistemas de QPE, el agujero negro supermasivo probablemente destruye una estrella que pasa, creando un pequeño disco muy cerca de sí mismo. En el caso de Ansky, creemos que el disco es mucho más grande y puede estar relacionado con objetos más lejanos, creando las escalas de tiempo más largas que observamos”.
Hernández-García, además de ser coautora del artículo de Chakraborty, lideró el estudio que descubrió las QPE de Ansky, el cual fue publicado en mayo en Nature Astronomy, y que utilizó datos de NICER, el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA y el Observatorio de rayos X Chandra, así como del telescopio espacial XMM-Newton de la ESA (Agencia Espacial Europea).
La posición de NICER a bordo de la Estación Espacial Internacional le permitió observar a Ansky unas 16 veces al día desde mayo hasta julio de 2024. La frecuencia de las observaciones fue crucial para detectar las fluctuaciones de los rayos X que revelaron que Ansky produce las QPE.
El equipo de Chakraborty empleó datos de NICER y del telescopio XMM-Newton para cartografiar la rápida evolución del material expulsado que impulsa las QPE, las cuales fueron observadas con un detalle sin precedentes mediante el estudio de las variaciones en la intensidad de los rayos X durante el aumento y descenso de cada erupción.
Los investigadores descubrieron que cada impacto producía una masa equivalente al planeta Júpiter y que alcanzaba una expansión con velocidades de alrededor del 15% de la velocidad de la luz.
La capacidad del telescopio NICER para hacer observaciones frecuentes de Ansky desde la estación espacial y sus capacidades de medición únicas también hicieron posible que el equipo midiera el tamaño y la temperatura de la burbuja más o menos esférica de escombros a medida que se iba expandiendo.
“Todas las observaciones de Ansky realizadas por NICER que fueron utilizadas en estos artículos científicos fueron recopiladas después de que el instrumento experimentara una ‘fuga de luz’ en mayo de 2023”, dijo Zaven Arzoumanian, líder científico de la misión en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “A pesar de que la fuga, que fue reparada en enero, afectó la estrategia de observaciones del telescopio, NICER aún pudo hacer contribuciones vitales a la astronomía de fenómenos transitorios, o el estudio de los cambios en el cosmos en escalas de tiempo que podemos ver”.
Después de la reparación, NICER continuó observando a Ansky para explorar cómo han evolucionado las erupciones con el tiempo. Se está revisando un artículo científico sobre estos resultados, bajo el liderazgo de Hernández-García y coescrito por Chakraborty.
Los estudios observacionales de las QPE, como el de Chakraborty, también desempeñarán un papel clave en la preparación de la comunidad científica para una nueva era de astronomía multimensajero, la cual combina mediciones utilizando luz, partículas elementales y ondas espaciotemporales llamadas ondas gravitacionales para comprender mejor los objetos y los fenómenos del universo.
Uno de los objetivos de la futura misión de la Antena Espacial con Interferómetro Láser (LISA, por sus siglas en inglés) de la ESA, en la cual la NASA es socia, es estudiar las proporciones de masa extrema inspiral, o sistemas en los que un objeto de poca masa orbita uno mucho más masivo, como Ansky. Estos sistemas deberían emitir ondas gravitacionales que no son observables con las instalaciones actuales. Los estudios electromagnéticos de las QPE ayudarán a mejorar los modelos de esos sistemas antes del lanzamiento de LISA, el cual está previsto para mediados de la década de 2030.
“Vamos a continuar observando a Ansky todo el tiempo que podamos”, dijo Chakraborty. “Todavía estamos en la infancia del entendimiento de las QPE. Es un momento muy emocionante porque hay mucho que aprender”.
Por Jeanette Kazmierczak
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland
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