¿Cómo detectar agujeros negros con rayos X?

Esta entrada ha sido escrita en colaboración con Salvador Márquez Grima.  

Hola amigos, en la entrada Astronomía de Rayos X  presentamos brevemente el origen y los fundamentos de esta rama de la astronomía. En esta ocasión intentaremos describir cómo detectar agujeros negros a través de la detección de rayos X en fuentes astrofísicas. Espero que os guste.

¿Qué son los agujeros negros?

Los agujeros negros son objetos compactos, esto significa que tienen mucha masa concentrada en un volumen muy pequeño. La interacción gravitatoria de tales objetos es muy fuerte.  De hecho, se supone que ni tan siquiera la luz puede escapar de su atracción, de ahí su nombre, a partir de una determinada superficie que denominaremos, horizonte.

Sin embargo, en esta entrada vamos a exponer una forma de detectar tales objetos a través de rayos-X que, como dijimos, son luz en un determinado rango de longitudes de onda. Entonces, ¿se pueden detectar con rayos-X? Sí, vamos a ver cómo.

Es evidente que un agujero negro, por su propia naturaleza, no puede ser visto directamente. Pero estamos de suerte, en caso de que el agujero negro forme parte de un sistema binario tenemos la posibilidad de detectar su presencia. Lo explicamos en las siguientes secciones.

Sistemas Binarios

Cuando hablamos de un sistema binario nos referimos a dos objetos astronómicos tan cercanos entre si que están unidos por su fuerza gravitatoria y orbitan alrededor de un centro de masas común.

Se puede dar la situación de que uno de los componentes del sistema binario sea un candidato a agujero negro. En este caso una estrella orbita alrededor de un agujero negro.  Puede ocurrir que el agujero negro va absorbiendo (acretando, se dice) materia de la estrella compañera. Entonces se forma lo que se conoce como disco de acreción.

La materia acretada cae hacia el agujero en forma espiral formando un plano, en el equador del agujero, donde la materia se concentra. Debido a la interacción de la materia del disco y la energía liberada en la caída hacia el agujero este emite grandes cantidades de energía.  Esta energía se emite preferentemente en el rango de los rayos X y rayos gamma.

La emisión tienen una forma muy característica y es lo que nos ayudará a identificar si el objeto compacto en el centro del disco es un agujero negro o de otro tipo.

El mecanismo

Si el agujero negro y la estrella compañera del sistema binario están mi cerca tendremos lo siguiente:

1.-  La materia de la estrella compañera será absorbida por el agujero negro. Esta materia caerá hacia el mismo siguiendo una órbita espiral.

2.-  La materia acretada se dispone en un plano, el disco de acreción, en la zona ecuatorial del agujero negro. (Esta configuración se obtiene por conservación del momento angular)

3.-  La materia que cae hacia el agujero está liberando energía potencial gravitatoria y esta es la responsable de la emisión de radiación que vemos en el disco.

4.-  La eficiencia de esta conversión ronda el 10% lo cual es muy impresionante si lo comparamos por ejemplo en la eficiencia de un proceso como la fusión de Hidrógeno para formar Helio que no llega al 1%.

5.-  En la caída el disco va aumentando su temperatura de forma que se llega al estado de plasma. Es decir, los átomos se disocian quedando un gas neutro pero cuyas componentes positivas y negativas son independientes.

6.-  La radiación producida ejerce presión sobre los electrones libres en el plasma a través del efecto Compton  (Ver entrada: Astronomía de Rayos X). Esto crea lo que se conoce como, corona de electrones.

Los rayos X

Como ya será evidente, los rayos X que nos ayudarán a identificar un agujero negro en un sistema binario no proceden del mismo agujero sino de la materia que está siendo acretada.  En esta sección veremos las componentes características que tendría que tener esta emisión para poder decir que nos encontramos frente a un agujero negro.

Os recomendamos volver a leer la entrada Astronomía de rayos X donde explicamos los mecanismos más representativos de generación de estos rayos en astronomía.

Emisión térmica

Como el gas del disco de acreción está caliente esperamos ver una emisión con forma de cuerpo negro (línea roja en la figura). Sin embargo, los fotones de rayos X no siguen este perfil exactamente debido a que sufren procesos Compton en el trayecto. Por lo tanto lo que veremos es:

Emisión térmica de Línea

En los discos de acreción podemos tener presencia de metales pesados que estarán parcialmente ionizados. Algunos fotones de la radiación pueden excitar los electrones aún ligados a estos iones y producir líneas espectrales muy características:

La línea del Hierro

Sin duda alguna, hay una línea muy especial que indica la presencia de agujeros negros. Esta es la línea del hierro (Fe). Esta es importante porque el hierro es más abundante en los medios estelares que el resto de metales (en astrofísica, generalmente, se llama metal a todo aquello que no es Hidrógeno o Helio).

Así, podemos identificar:

1.-  Fotones blandos (de poca energía):  Estos fotones serán absorbidos mayoritariamente pero podremos encontrar una señal de los mismos en la parte menos energética de los fotones recibidos.

2.-  La línea del hierro.

3.- Aparece una joroba que se aleja de la curva de cuerpo negro comptonizada, esto es debido a reflexiones de fotones energéticos vía efecto Compton.

Lo que veríamos sería la línea negra en la siguiente figura, también se muestran las diferentes componentes por separado:

Si miramos a un sistema binario y encontramos este tipo de perfil, muy posiblemente, hemos descubierto un agujero negro.

Agujeros Negros vs Estrellas de neutrones

Alguien podría decir que el objeto compacto responsable de esto no es un agujero negro sino una estrella de neutrones.  En efecto, esta posibilidad está abierta. Sin embargo, hay una diferencia entre ambas situaciones:

La diferencia esencial es que si estamos ante una estrella de neutrones acretando materia, esta puede llegar hasta la superficie de la estrella.  Esto implica que veremos un aumento de temperatura desde el borde del disco hasta la misma superficie del objeto compacto que se mostrará muy brillante.

En el caso de un agujero negro, habrá una zona oscura, la temperatura o el brillo desaparece a partir de una determinada órbita denominada la órbita circular estable más interna (ISCO, de innermost stable circular orbit, en inglés).  A partir de la ISCO el material cae al agujero de forma directa hacia el horizonte y, a patir de ahí, ya no vemos emisión alguna.

Otras pruebas

Hay otras pruebas para determinar si un agujero negro ha sido detectado o no. Entre ellas están las pruebas por lente gravitacional. Por ejemplo, si pensamos que tenemos un agujero negro detectado en el cielo podemos esperar a ver si otro sistema astrofísico (una galaxia por ejemplo) pasa detrás de él.  Si esto ocurre, veremos efectos debido a la modificación de las trayectorias de los rayos de luz cuando pasa por la inmediaciones del agujero negro:

Y otro muy espectacular (no específico de agujeros negros) es que debido a la presencia de campos magnéticos parte del material del disco sale emitido de forma muy característica a lo largo de un eje.  Esto es lo que se conoce como jet y su física es asombrosa, lo trataremos en el blog en breve.

Para finalizar, os dejamos con la información del telescopio Chandra relativa a posibles candidatos a agujeros negros.

http://chandra.harvard.edu/photo/category/blackholes.html

Nos seguimos leyendo…

Sal – Ilustración de Raquel Garcia Ulldemollins