Algunos agujeros negros supermasivos lanzan poderosos rayos de material, o chorros, lejos de ellos, mientras que otros no. Los astrónomos ahora pueden haber identificado por qué.
Utilizando datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, XMM-Newton de la ESA, ROentgen SATellite (ROSAT) de Alemania, Karl G. Jansky Very Large Array de la NSF, Sloan Digital Sky Survey y otros telescopios, los investigadores han estudiado más de 700 cuásares. Agujeros negros supermasivos de rápido crecimiento: para aislar los factores que determinan por qué estos agujeros negros lanzan chorros.
Los chorros de agujeros negros supermasivos pueden inyectar grandes cantidades de energía en su entorno e influir fuertemente en la evolución de sus entornos. Anteriormente, los científicos se dieron cuenta de que un agujero negro supermasivo debe girar rápidamente para impulsar chorros fuertes, pero no todos los agujeros negros que giran rápidamente tienen chorros.
“Descubrimos que hay otro factor determinante de si un agujero negro supermasivo tiene chorros, algo llamado corona de agujero negro enhebrada por campos magnéticos”, dijo Shifu Zhu de la Universidad Penn State en University Park, Pensilvania, quien dirigió el estudio. “Si no tiene una corona de agujero negro que sea brillante en los rayos X, parece que no tiene chorros de agujero negro potentes”.
En astronomía, el término “corona” se asocia comúnmente con la atmósfera exterior del Sol. Las coronas de los agujeros negros, por otro lado, son regiones de gas caliente difuso que se encuentran por encima y por debajo de un disco de material mucho más denso que gira alrededor del sumidero gravitacional. Como la corona alrededor del Sol, las coronas de los agujeros negros están entrelazadas con fuertes campos magnéticos.
“Es como hornear pan en el que se necesitan algunos ingredientes para seguir con éxito la receta de un pan”, dijo el coautor Niel Brandt, también de Penn State. “Nuestros resultados muestran que un ingrediente del que no puede prescindir cuando ‘fabrica’ potentes chorros de cuásares es una corona brillante”.
El equipo obtuvo sus resultados al comprender mejor la emisión de rayos X de los cuásares. Estudios anteriores habían demostrado que los quásares sin chorros muestran un vínculo característico entre la fuerza de sus rayos X y la emisión ultravioleta. Esta correlación se explica por la luz ultravioleta del disco del agujero negro que golpea las partículas en la corona. El aumento de energía resultante convierte la luz ultravioleta en rayos X.
En el nuevo estudio, el equipo decidió investigar el comportamiento de los cuásares que tienen chorros. Encontraron una correlación entre el brillo de los diferentes quásares en los rayos X y la luz ultravioleta que es notablemente similar a la encontrada para los quásares sin chorros. Concluyeron que la emisión de rayos X en los quásares propulsados por chorros también es producida por una corona de agujero negro.
Esta conclusión fue una sorpresa. Anteriormente, los astrónomos pensaban que la emisión de rayos X de los quásares con chorros proviene de la base de los chorros porque los quásares con chorros tienden a ser más brillantes en los rayos X que los que no los tienen. El nuevo estudio confirma esta diferencia de brillo, pero concluye que la emisión adicional de rayos X proviene de coronas de agujeros negros más brillantes que las de los quásares con chorros más débiles o inexistentes.
“El hallazgo de que los rayos X en los quásares con chorros provienen de la corona de un agujero negro, en lugar de los chorros, desafía 35 años de pensar sobre la naturaleza básica de esta emisión”, dijo el coautor Guang Yang de la Universidad Texas A&M en College Station, Texas. “Podría proporcionar una nueva perspectiva de la física de estos aviones”.
Una implicación importante de su trabajo es que para producir chorros poderosos, un quásar debe tener una corona de agujero negro brillante, enhebrada por campos magnéticos fuertes, además de un agujero negro que gira rápidamente. Los quásares con coronas de agujeros negros más débiles y campos magnéticos más débiles tienen chorros menos potentes o inexistentes, independientemente de que sus agujeros negros supermasivos estén girando rápidamente o no.
“Tanto los chorros de gran alcance de un quásar como la corona brillante que ocurren juntos pueden ser impulsados fundamentalmente por campos magnéticos”, dijo Zhu.
Los campos magnéticos más fuertes pueden resultar de un disco más grueso causado por una mayor tasa de materia que cae en el agujero negro.
Estos resultados son similares a los encontrados para los agujeros negros de masa estelar, que pesan menos de cien veces la masa del Sol, en comparación con los agujeros negros supermasivos que pesan millones o miles de millones de veces la masa del Sol. Esto apoya la idea de que estas dos clases diferentes de agujeros negros pueden ser similares en términos de su comportamiento a pesar de sus tamaños muy diferentes.
La muestra del equipo consta de 729 quásares con chorros. Los datos de Chandra, XMM-Newton y ROSAT se utilizaron para 212, 278 y 239 cuásares respectivamente. El tamaño y la calidad de la muestra del equipo explican por qué pudieron descubrir la causa de la emisión de rayos X.
Estos resultados fueron publicados en la revista Monthly Notices de la Royal Astronomical Society de junio 20 º , 2020. El documento también disponible en línea . Los otros coautores del artículo son Bin Luo de la Universidad de Nanjing en China, Jianfeng Wu de la Universidad de Xiamen en China y YQ Xue de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei, China.
El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA administra el programa Chandra. El Centro de Rayos X Chandra del Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla las operaciones científicas y de vuelo desde Cambridge y Burlington, Massachusetts.
