Captan en primicia el colapso y renacer de una corona de agujero negro

Por primera vez, astrónomos han visto cómo la corona de un agujero negro supermasivo, el anillo de partículas de alta energía que rodea el horizonte de sucesos, fue destruido abruptamente y luego resurgió.

La causa de esta dramática transformación no está clara, aunque los investigadores suponen que el origen de este fenómeno pudo haber sido una estrella atrapada en la atracción gravitacional del agujero negro.

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Como una piedra arrojada a una caja de engranajes, la estrella puede haber rebotado a través del disco de remolino del agujero negro, haciendo que todo lo que se encuentre cerca, incluidas las partículas de alta energía de la corona, caigan repentinamente en el agujero negro.

El resultado, como observaron los astrónomos, fue una caída precipitada y sorprendente en el brillo del agujero negro, por un factor de 10.000, en menos de un año.

"Esperamos que los cambios de luminosidad así de grandes varíen en escalas temporales de muchos miles a millones de años", dice Erin Kara, profesora asistente de física en el MIT (Massachusetts Institute of Technology). "Pero en este objeto, lo vimos cambiar en un factor de 10.000 durante un año, e incluso cambió en un factor de 100 en ocho horas, lo cual es totalmente desconocido y realmente alucinante".

Después de la desaparición de la corona, los astrónomos continuaron observando cómo el agujero negro comenzó a juntar lentamente el material de sus bordes exteriores para reformar su disco de acreción giratorio, que a su vez comenzó a girar rayos X de alta energía cerca del horizonte de eventos del agujero negro. De esta manera, en solo unos pocos meses, el agujero negro pudo generar una nueva corona, casi de vuelta a su luminosidad original.

"Esta parece ser la primera vez que vemos una corona desaparecer, pero también reconstruirse, y estamos viendo esto en tiempo real", dice Kara. "Esto será realmente importante para comprender cómo se calienta y alimenta la corona de un agujero negro en primer lugar".

Kara y sus coautores, incluido el autor principal Claudio Ricci de la Universidad Diego Portales en Santiago, Chile, han publicado sus hallazgos en Astrophysical Journal Letters. Los coautores del MIT incluyen a Ron Remillard y Dheeraj Pasham.

En marzo de 2018, una explosión inesperada iluminó la vista de ASSASN (All-Sky Automated Survey for Super-Novae), que examina la actividad de supernova en todo el cielo nocturno. La encuesta registró un destello de 1ES 1927 + 654, un núcleo galáctico activo, o AGN, que es un tipo de agujero negro supermasivo con un brillo superior al normal en el centro de una galaxia. ASSASN observó que el brillo del objeto saltó a aproximadamente 40 veces su luminosidad normal.

"Este era un AGN que conocíamos, pero no era muy especial", dice Kara. "Luego notaron que este AGN común se hizo repentinamente brillante, lo que llamó nuestra atención, y comenzamos a apuntar muchos otros telescopios en muchas otras longitudes de onda para mirarlo".

El equipo utilizó múltiples telescopios para observar el agujero negro en las bandas de rayos X, ópticas y de ondas ultravioletas. La mayoría de estos telescopios apuntaban periódicamente al agujero negro, por ejemplo, registrando observaciones durante un día entero, cada seis meses. El equipo también observó diariamente el agujero negro con el NICER de la NASA, un telescopio de rayos X mucho más pequeño, instalado a bordo de la Estación Espacial Internacional, con detectores desarrollados y construidos por investigadores del MIT.

"NICER es genial porque es muy ágil", dice Kara. "Es esta pequeña lavadora que rebota alrededor de la EEI, y puede recolectar una tonelada de fotones de rayos X. Todos los días, NICER podría echar un vistazo rápido a este AGN, luego apagarse y hacer otra cosa".

Con observaciones frecuentes, los investigadores pudieron atrapar el agujero negro cuando cayó bruscamente en brillo, en prácticamente todas las bandas de ondas que midieron, y especialmente en la banda de rayos X de alta energía, una observación que señalaba que la corona del agujero negro se había vaporizado completa y repentinamente.

"Después de que ASSASN lo vio pasar por este enorme estallido loco, vimos cómo la corona desaparecía", recuerda Kara. "Se volvió indetectable, lo que nunca habíamos visto antes".

Los físicos no están seguros de qué causa exactamente la formación de una corona, pero creen que tiene algo que ver con la configuración de las líneas de campo magnético que atraviesan el disco de acreción de un agujero negro. En las regiones externas del disco giratorio de material de un agujero negro, las líneas de campo magnético tienen una configuración más o menos sencilla.

Más cerca, y especialmente cerca del horizonte de sucesos, los círculos de material con más energía, de una manera que puede hacer que las líneas del campo magnético se tuerzan y se rompan, luego se vuelven a conectar. Esta maraña de energía magnética podría hacer girar partículas que se arremolinaban cerca del agujero negro, al nivel de rayos X de alta energía, formando la corona en forma de corona que rodea el agujero negro.

Kara y sus colegas creen que si una estrella descarriada fuera realmente la culpable de la desaparición de la corona, primero habría sido destrozada por el tirón gravitacional del agujero negro, esparciendo escombros estelares en el disco de acreción. Esto puede haber causado el destello temporal de brillo que ASSASN capturó. Esta "interrupción de la marea", como los astrónomos llaman un evento de tal sacudida, habría provocado que gran parte del material en el disco cayera repentinamente en el agujero negro. También podría haber arrojado las líneas de campo magnético del disco fuera de control de una manera que ya no podría generar y soportar una corona de alta energía.

Este último punto es potencialmente importante para comprender cómo se forman las primeras coronas. Dependiendo de la masa de un agujero negro, hay un cierto radio dentro del cual una estrella seguramente será atraída por la gravedad de un agujero negro.