Los agujeros negros son elementos fundamentales en la estructura de las galaxias y desempeñan un papel crucial en nuestra comprensión de la gravedad, el espacio y el tiempo. Un agujero negro de masa estelar es un tipo de agujero negro que se forma a partir del colapso gravitacional de una estrella masiva al final de su ciclo de vida. Estas singularidades suelen tener masas que oscilan entre tres y veinte veces la masa de nuestro Sol.
En ocasiones, los agujeros negros generan chorros de gas ionizado (plasma) que se disparan hacia el exterior a velocidades cercanas a la de la luz. Aunque se descubrieron hace más de un siglo, el mecanismo y las razones detrás de la formación de estos chorros han permanecido envueltos en un misterio, siendo considerados como uno de los «maravillas de la física».
El profesor Kazutaka Yamaoka de la Universidad de Nagoya, junto con sus colegas de la Universidad de Toyama y otros institutos internacionales, han identificado las condiciones clave necesarias para que un agujero negro estelar genere chorros de plasma. Sus hallazgos, publicados en Publications of the Astronomical Society of Japan, indican que la formación de chorros ocurre cuando el material gaseoso supercalentado experimenta una rápida contracción hacia el agujero negro.
Dinámica de los chorros en agujeros negros
Comprender la eyección de chorros en agujeros negros es esencial, ya que proporciona información sobre la evolución de las galaxias, la distribución de energía en el universo y las propiedades de los propios agujeros negros. Los chorros influyen en la formación de estrellas, distribuyen energía a través de vastas distancias y sirven como faros cósmicos para localizar agujeros negros distantes. Además, ofrecen perspectivas sobre la física fundamental de los agujeros negros.
Los investigadores estudiaron un sistema de agujero negro que consistía en un agujero negro de masa estelar y una estrella similar al Sol que orbitan entre sí. En este sistema, se producen entre cinco y seis chorros en un período de aproximadamente veinte días, lo que lo convierte en un entorno ideal para estudiar este fenómeno. A través del análisis de datos de observación en rayos X y radio desde 1999 hasta 2000, pudieron seguir cómo cambiaban las emisiones de rayos X cerca del agujero negro a lo largo del tiempo y medir la cantidad total de energía producida por los chorros.
Los resultados mostraron que los chorros se producen cuando el radio interno del disco de acreción disminuye repentinamente y alcanza la órbita circular estable más interna (ISCO), que es el límite más cercano al que la materia puede orbitar sin caer en el agujero negro.
Los científicos observaron que, inicialmente, el radio interno del disco de gas se encontraba más alejado del agujero negro. Cuando este radio se contrae rápidamente y llega al ISCO, se produce la eyección del chorro. Este proceso continúa durante un tiempo, pero una vez que el movimiento de contracción del borde interno del disco se detiene, el chorro también cesa.
De este modo, identificaron dos condiciones clave para que un agujero negro estelar genere chorros: el borde interno del disco de gas que rodea al agujero negro debe moverse rápidamente hacia él y este movimiento debe alcanzar el ISCO.
Los científicos ya conocían que, cuando se produce la eyección de un chorro desde un agujero negro, los rayos X se vuelven «más suaves» (es decir, contienen más rayos X de baja energía en comparación con los de alta energía) y presentan menos fluctuaciones rápidas en escalas de tiempo cortas. Este estudio descubrió que estos cambios en los rayos X ocurren porque el borde interno del disco de gas se está moviendo rápidamente hacia el agujero negro, lo que resulta ser el verdadero desencadenante de la formación de chorros. A medida que este borde se contrae, genera más rayos X suaves con menos variabilidad en comparación con los rayos X duros, lo que explica el cambio en los patrones de rayos X justo antes de que se formen los chorros.
Este estudio revela que los chorros se forman bajo condiciones dinámicas cambiantes en lugar de ser el resultado de condiciones estables y estáticas, como muchos modelos teóricos habían asumido. Ahora, los científicos pueden predecir mejor la ocurrencia de chorros de plasma y estudiar los mecanismos detrás de ellos en tiempo real.
El profesor Yamaoka explicó: «Nuestro descubrimiento sobre la formación de chorros en agujeros negros de masa estelar puede proporcionar una clave universal para entender estos fenómenos. Aunque estos sistemas binarios, donde un agujero negro orbita una estrella normal, difieren significativamente de los agujeros negros supermasivos ubicados en el centro de una galaxia, creemos que mecanismos físicos similares operan en todas las escalas de agujeros negros».
El siguiente paso, añadió, será aplicar estos hallazgos a los agujeros negros supermasivos, aunque esto es un desafío debido a su evolución temporal más lenta y la dificultad para medir sus estructuras internas.
