Algunos de los primeros datos de una misión espacial internacional están confirmando décadas de especulaciones sobre la vecindad galáctica de los agujeros negros supermasivos.
Aún más interesante que los datos, sin embargo, es que el satélite tan esperado detrás de él, la Misión de Espectroscopía e Imágenes de Rayos X, o XRISM, está comenzando a proporcionar conocimientos incomparables.
“Hemos encontrado las herramientas adecuadas para crear una imagen precisa de las secuencias no descubiertas alrededor de los agujeros negros supermasivos”, dijo sobre XRISM el profesor de astronomía de la Universidad de Michigan, John Miller.
“Estamos empezando a ver pistas sobre cómo se ve realmente ese entorno”.
La Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial, o JAXA, que se asoció con la NASA y la Agencia Espacial Europea para desarrollar y lanzar XRISM, anunció los nuevos hallazgos, que fueron publicados. Cartas de diarios astrofísicos.
Miller fue el autor principal de ese estudio. Él y más de 100 coautores de todo el mundo descubrieron lo que se conoce como un núcleo galáctico activo, que contiene un agujero negro supermasivo y su entorno extremo.
Para ello, confiaron en la capacidad incomparable de XRISM para recopilar y medir el espectro de rayos X emitidos por eventos cósmicos.
“Es realmente emocionante que hayamos podido recolectar espectros de rayos X con una resolución tan alta sin precedentes, especialmente para los plasmas más calientes del Universo”, dijo Leah Corrales, profesora asistente de astronomía de la UM y coautora de ambas publicaciones XRISM.
“Los espectros son tan ricos en información que sin duda trabajaremos para interpretar completamente los primeros conjuntos de datos durante muchos años”.
Disco de crecimiento con un giro.
Los entusiastas de la exploración espacial tal vez sepan que el Observatorio de rayos X Chandra, el telescopio de rayos X insignia de la NASA, celebró recientemente su 25º aniversario en el espacio.
Lo que es menos conocido es que, durante los últimos 25 años, un equipo internacional de científicos, ingenieros y funcionarios de agencias espaciales ha estado intentando lanzar misiones de rayos X igualmente sofisticadas, pero diferentes.
El objetivo de este esfuerzo era proporcionar datos complementarios de alta calidad para comprender mejor lo que ven Chandra y otros telescopios. XRISM ahora proporciona esos datos.
Con su conjunto de datos, Miller, Corrales y sus colegas solidificaron una hipótesis sobre estructuras llamadas discos de acreción cerca de agujeros negros supermasivos en núcleos galácticos activos.
Estos discos pueden considerarse como discos de vinilo hechos de gas y otras partículas sueltas de galaxias cortadas por la atracción gravitacional de los agujeros negros en sus centros. Al estudiar los discos de acreción, los investigadores pueden comprender mejor lo que sucede alrededor de un agujero negro y cómo afecta el ciclo de vida de su galaxia anfitriona.
Al sondear el centro de una galaxia llamada NGC 4151, a más de 50 millones de años luz de distancia, la colaboración XRISM confirmó que la forma del disco no es tan simple como antes.
“Lo que estamos viendo es que el récord no es plano. Tiene un giro o una deformación”, dijo Miller. “Parece que se está volviendo más espeso por fuera”.
Aunque en otros datos de las últimas dos décadas y media han surgido sugerencias de esta geometría más compleja, los resultados de XRISM son la evidencia directa más sólida de ello.
“Teníamos pistas”, dijo Miller. “Pero alguien en medicina forense diría que no podríamos haber condenado a nadie con lo que teníamos”.
El equipo también descubrió que el disco de acreción parece estar perdiendo gran parte de su gas. Una vez más, los científicos tienen teorías sobre lo que sucede con este material, pero Miller dice que XRISM permitirá a los investigadores encontrar respuestas más definitivas.
“Es muy difícil decir cuál será el destino de este gas”, afirmó. “Es realmente difícil encontrar evidencia directa de que XRISM pueda hacer eso”.
Y XRISM no sólo permite a los investigadores pensar en las teorías existentes de nuevas maneras. Esto les permite explorar partes del espacio que antes les eran invisibles.
eslabón perdido
A pesar de que su atracción gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de ella, los agujeros negros siguen siendo responsables de producir una gran cantidad de radiación electromagnética que podemos detectar.
Por ejemplo, el Event Horizon Telescope (una red de instrumentos en la Tierra que son sensibles a la radiación emitida en forma de ondas de radio) ha permitido a los astrónomos acercarse y ver los bordes de dos agujeros negros diferentes.
Hay otros instrumentos en la Tierra y en el espacio que detectan diferentes bandas de radiación, incluidos los rayos X y la luz infrarroja, para proporcionar una visión más amplia, a escala de galaxia, del entorno de un agujero negro.
Pero los científicos carecen de herramientas de alta resolución para determinar qué sucede entre estas dos escalas, desde justo al lado de un agujero negro hasta el tamaño de su galaxia anfitriona. Y en el medio está el espacio donde existen el disco de acreción y otras estructuras celestes interesantes.
Si divides la escala de una vista alejada de un agujero negro por su primer plano, obtienes un número más cercano a 100.000. Para un físico, cada cero es un orden de magnitud, lo que significa que el intervalo de cobertura abarca cinco órdenes de magnitud.
“Cuando se trata de comprender cómo entra gas en un agujero negro, cómo se pierde parte de ese gas y cómo el agujero negro afecta a su galaxia anfitriona, lo que realmente importa es ese orden de magnitud”, dijo Miller.
XRISM ahora busca rayos X emitidos por el hierro alrededor de los agujeros negros y brinda a los investigadores acceso a esas escalas, según su acrónimo: la “S” en espectroscopia.
En lugar de utilizar luz de rayos X para producir una imagen, el instrumento de espectroscopia de XRISM detecta la energía de rayos X individuales o fotones. Luego, los investigadores pueden ver cuántos fotones con una determinada energía se detectaron en un rango de energías o espectro.
Al recopilar, estudiar y comparar espectros de diferentes partes de la región alrededor de un agujero negro, los investigadores pueden aprender más sobre los procesos involucrados.
“Bromeamos diciendo que ponemos ‘física’ espectroscópica en ‘astrofísica'”, dijo Miller.
Aunque existen otros instrumentos operativos de espectroscopía de rayos X, el de XRISM es el más avanzado y se basa en un microcalorímetro, llamado “Resolve”. Esto convierte la energía de rayos X incidente en calor en lugar de la señal eléctrica más convencional.
“RESOLVE nos permite caracterizar el entorno multiestructura y multitemperatura de los agujeros negros supermasivos de una manera que antes no era posible”, dijo Corrales.
XRISM brinda a los investigadores una resolución energética 10 veces mejor que la que tenían antes, dijo Miller. Los científicos han estado esperando un dispositivo de este tipo durante 25 años, pero no ha sucedido por falta de intentos.
Si al principio no lo consigues
Años antes de su lanzamiento en 1999, Chandra se concibió inicialmente como una Instalación Astrofísica Avanzada de Rayos X, una misión única que utilizaría tecnologías de última generación tanto para imágenes de rayos X como para espectroscopia.
Sin embargo, esto resultó ser demasiado caro, por lo que se dividió en un telescopio lunar y una misión de espectroscopia llamada Astro-E, desarrollada por JAXA. Desafortunadamente, el Astro-E se perdió cuando fue lanzado en febrero de 2000.
JAXA, NASA y la Agencia Espacial Europea se dieron cuenta de lo importante que era la herramienta, dijo Miller, y trabajaron juntos para volver a volar la misión Astro-E unos cinco años después. Esta vez, sin embargo, la misión recibió el nombre de Suzaku, en honor a un ave mítica parecida a un fénix.
“Suzaku lo puso en órbita, pero tenía una fuga en su sistema criogénico, por lo que todo su refrigerante se filtró al espacio. Sus principales instrumentos científicos nunca tomaron datos reales”, dijo Miller. “Sin embargo, había otra cámara a bordo para los rayos X y funcionó muy bien durante unos 10 años”.
A los pocos meses de la puesta de sol de Suzaku, la agencia espacial lanzó una tercera misión para proporcionar la espectroscopia de rayos X que la comunidad había estado buscando. La misión se lanzó como Astro-H en febrero de 2016 y pasó a llamarse Hitomi después de que entró en órbita y desplegó sus paneles solares.
Miller viajó a Florida para una reunión sobre Hitomi durante el desastre en la misión. Un error táctico hizo que Hitomi diera un giro incontrolable.
“Gira tan rápido que los paneles solares salen volando”, dijo Miller.
Menos de 40 días después del lanzamiento, la agencia espacial perdió contacto con Hitomi.
“De hecho, puedes ir a una playa de Florida por la noche y verlo rodar por el cielo”, dijo Miller. “Parpadeó de una manera única”.
Antes de finalizar, la misión Hitomi logró recibir lo que Miller midió como una observación científica y media. Eso fue suficiente para cambiar la forma en que los investigadores pensaban sobre los cúmulos de galaxias que contienen cientos o miles de galaxias, dijo.
Por lo tanto, es justo decir que XRISM tenía mucho a su favor cuando se lanzó en septiembre de 2023. Según los primeros resultados, XRISM parece estar preparado para dar resultados. Miller y un puñado de sus colegas globales fueron los primeros en ver los datos que conducirían a su nuevo informe.
“Era muy tarde en Japón, era un momento extraño en Europa y todos estábamos en Zoom. Todos teníamos problemas para encontrar las palabras”, dijo Miller. “Fue impresionante”.
El proyecto de tesis doctoral original de Miller era estudiar datos de la misión Astro-E, por lo que ha invertido más de la mitad de su vida y prácticamente toda su carrera científica en este trabajo.
Durante ese tiempo, misiones más exitosas como Hitomi y Chandra proporcionaron datos que le permitieron a él y a otros en el campo mejorar nuestra comprensión del cosmos. Pero los investigadores también sabían que necesitaban algo como el calorímetro de rayos X a bordo del XRISM para dar el salto hambriento.
“Ha sido difícil en muchos puntos, pero seguimos recibiendo indicios de lo que podría ser posible”, dijo Miller. “Es casi imposible replicar estos entornos en experimentos terrestres y queremos conocer muchos detalles de cómo funcionan realmente. Creo que finalmente vamos a lograr algunos avances en eso”.