Los agujeros negros doblan nuestra comprensión del Universo y las leyes de la física. A medida que el agujero negro gira, arrastra el espacio circundante y le da a los astrónomos la oportunidad de estudiar algunas de las predicciones de Einstein sobre la relatividad.
La existencia de agujeros negros es quizás la predicción más fascinante de la Teoría general de la relatividad de Einstein. Cuando cualquier masa, como una estrella, se vuelve más compacta que un cierto límite, su propia gravedad se vuelve tan fuerte que el objeto colapsa en un punto singular, un agujero negro. En la mente popular, este inmenso pozo de gravedad es un lugar donde suceden cosas extrañas. Y ahora, un equipo dirigido por el Centro de Astrofísica ha medido un agujero negro de masa estelar que gira tan rápido, girando más de 950 veces por segundo, que empuja el límite de velocidad previsto para la rotación.
"Diría que este régimen de gravedad está tan lejos de la experiencia directa y el conocimiento como el mundo subatómico en sí mismo", dice el astrónomo Jeffrey McClintock de la CfA.
Aplicando una técnica para medir el espín desarrollada conjuntamente por McClintock y el astrofísico de CfA Ramesh Narayan, el equipo utilizó los datos del satélite Rossi X-ray Timing Explorer de la NASA para proporcionar la determinación más directa hasta el momento del espín del agujero negro.
McClintock y Narayan lideraron un grupo internacional compuesto por Rebecca Shafee, Departamento de Física de la Universidad de Harvard; Ronald Remillard, Centro Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial, MIT; Shane Davis, Universidad de California, Santa Bárbara, y Li-Xin Li, Instituto Max-Planck de Astrofísica, Alemania, en esta investigación. Los resultados se publican en la edición de hoy de Astrophysical Journal.
"Ahora tenemos valores precisos para las velocidades de giro de tres agujeros negros", dice McClintock. "Lo más emocionante es nuestro resultado para el microquasar GRS1915 + 105, que tiene un giro que está entre 82% y 100% del valor máximo teórico".
"Este resultado tiene importantes implicaciones para explicar cómo los agujeros negros emiten chorros, para modelar posibles fuentes de explosiones de rayos gamma y para la detección de ondas gravitacionales", dice el teórico Narayan.
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"En astronomía, un agujero negro se describe completamente con solo dos números que especifican su masa y qué tan rápido está girando", dice McClintock. "No sabemos de nada más tan simple, excepto una partícula fundamental como un electrón o un quark".
Aunque los astrónomos han tenido éxito en la medición de la masa de los agujeros negros, les ha resultado mucho más difícil medir el segundo parámetro fundamental de un agujero negro, su giro.
"De hecho, hasta este año, no había una estimación creíble de giro para ningún agujero negro", dice Narayan.
La gravedad de un agujero negro es tan fuerte que, a medida que el agujero negro gira, arrastra el espacio circundante. El borde de este agujero giratorio se llama horizonte de eventos. Cualquier material que cruza el horizonte de eventos es atraído hacia el agujero negro.
"La frecuencia de giro del agujero negro que medimos es la velocidad a la que gira el espacio-tiempo, o se arrastra, justo en el horizonte de eventos del agujero negro", dice Narayan.
El agujero negro de alta velocidad, GRS 1915, es el más grande de los 20 agujeros negros binarios de rayos X para los que actualmente se conocen masas, con un peso aproximadamente 14 veces mayor que el Sol. Es bien conocido por sus propiedades únicas, como la expulsión de chorros de materia a casi la velocidad de la luz y las rápidas variaciones en su emisión de rayos X.
En las últimas décadas, se han descubierto docenas de agujeros negros en los sistemas binarios de rayos X. Un binario de rayos X es un sistema en el que dos objetos orbitan entre sí, y el gas de uno, una estrella normal como el Sol, se transfiere de manera constante al otro, en este caso, un agujero negro. El gas gira en espiral sobre el agujero negro mediante un proceso llamado acreción. A medida que entra en espiral, se calienta a millones de grados e irradia rayos X. El equipo utilizó el espectro de rayos X del disco de acreción del agujero negro para determinar su giro.
La técnica se basa en una predicción clave de la teoría de la relatividad: el gas que se acumula en un agujero negro se irradia solo a un cierto radio que se encuentra fuera del agujero negro, fuera de su horizonte de eventos. Dentro de este radio, el gas cae en el agujero demasiado rápido como para producir mucha radiación. El radio crítico depende del giro del agujero negro, por lo que medir este radio proporciona una estimación directa del giro. Cuanto más pequeño es el radio, más calientes son los rayos X que se emiten desde el disco. La temperatura de los rayos X, junto con el brillo de los rayos X, da el radio que, a su vez, da la velocidad de giro del agujero negro.
"Es realmente genial poder medir algo tan fundamental", dice Rebecca Shafee, quien es una estudiante graduada en el Departamento de Física de la Universidad de Harvard. “Nuestro método es muy simple en concepto y fácil de entender. Somos realmente afortunados de tener poderosos observatorios de rayos X como el Rossi X-ray Timing Explorer en el espacio y telescopios en la Tierra para llevar a cabo las mediciones que necesitamos ".
La búsqueda de la causa de los estallidos de rayos gamma, que puede ser, por un momento, el destello más brillante del universo, puede verse favorecida por los resultados del equipo. El astrofísico teórico Stan Woosley, de la Universidad de California, Santa Cruz, ha modelado explosiones de rayos gamma basadas en el colapso de una estrella masiva. Sin embargo, estos modelos dependen de la existencia de agujeros negros con un giro muy alto, que hasta ahora nunca se había confirmado.
"Esto es extremadamente importante", dice Woosley. "No tenía idea de que se pudieran hacer tales mediciones".
El documento concluye que GRS 1915 y los otros dos agujeros negros estudiados por el equipo nacieron con sus giros altos. Es decir, el núcleo en colapso de la estrella masiva original vertió su momento angular en el agujero negro.
"Desde que la comunidad descubrió hace muchos años cómo medir la masa del agujero negro, medir el giro ha sido el santo grial en este campo", dice McClintock. “La técnica que utilizamos en GRS 1915 se puede aplicar a otros binarios de rayos X de agujeros negros. ¡No podemos esperar a ver lo que encontramos! '”
"Una de nuestras esperanzas es que los sistemas de agujeros negros que estamos estudiando también sean estudiados por otros grupos utilizando sus métodos favoritos para medir el giro", dice Narayan. "Una vez que estos otros métodos se desarrollen más y se vuelvan más confiables, la comparación cruzada de los resultados de los diferentes métodos sería muy interesante".
Fuente original: Comunicado de prensa de CfA
