Telescopio XRISM revela pasado explosivo del agujero negro de la Vía Láctea

Un equipo internacional de investigadores liderado por Stephen DiKerby, de la Universidad Estatal de Michigan, ha logrado detectar evidencias de que el agujero negro central de nuestra galaxia tuvo un pasado mucho más activo de lo que se pensaba. El hallazgo fue posible gracias a la extraordinaria precisión del telescopio espacial XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission), lanzado en 2023.

Los científicos analizaron las emisiones de rayos X provenientes de una gigantesca nube de gas cercana al centro galáctico. Según los resultados, publicados en The Astrophysical Journal Letters y disponibles en el servidor de preimpresión arXiv, esta nube está brillando como respuesta a un estallido pasado de Sagitario A*.

"Nada en mi formación profesional como astrónomo de rayos X me había preparado para algo como esto", afirmó DiKerby, investigador postdoctoral en el laboratorio de la profesora asistente de Física y Astronomía Shuo Zhang. "Esta es una nueva capacidad emocionante y un conjunto de herramientas completamente nuevo para desarrollar estas técnicas".

Los agujeros negros supermasivos son exactamente lo que su nombre indica: enormes agujeros negros que contienen millones o miles de millones de masas solares de material, tan densos que ni siquiera la luz puede escapar. Cada galaxia grande tiene uno, aunque los investigadores aún no saben por qué.

Muchos agujeros negros supermasivos son brillantes porque el gas a su alrededor se calienta y emite radiación de alta energía. En contraste, Sagitario A* apenas brilla. Es uno de los agujeros negros más tenues conocidos en el universo, visible solo porque está relativamente cerca de la Tierra.

Varias grandes nubes moleculares flotan alrededor de Sagitario A* y pueden actuar como espejos cósmicos, reflejando destellos de rayos X pasados del agujero negro. Los telescopios espaciales anteriores podían detectar estos destellos, pero no con suficiente resolución energética para examinar su estructura fina o determinar qué los produjo.

XRISM cambió eso. El telescopio fue lanzado mediante una asociación entre la NASA y la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial. Sus primeras observaciones son muy esperadas porque representan una mejora sustancial sobre todos los telescopios espaciales existentes en términos de resolución energética.

La mayoría de los telescopios espaciales de rayos X pueden distinguir la energía de un fotón en aproximadamente una parte en 10, o incluso 100. XRISM puede resolver una parte en 1.000. Las nuevas imágenes son como pasar de una Polaroid a una imagen tecnicolor de alta definición.

DiKerby utilizó esta vista nítida para acercarse a dos líneas de emisión de rayos X extremadamente estrechas provenientes de una de las nubes moleculares. Al medir sus energías y formas con una precisión sin precedentes, pudo determinar el movimiento de la nube y relacionarlo con observaciones de radio anteriores. También examinó características sutiles en el espectro para probar dos explicaciones competitivas para el brillo de la nube.

Esos detalles descartaron la idea de que los rayos cósmicos fueran responsables y, en cambio, mostraron que la nube está reflejando un estallido de rayos X de Sagitario A*, efectivamente un "eco de luz" del pasado. Al estudiar múltiples nubes a diferentes distancias del agujero negro, los astrónomos pueden reconstruir una cronología de estos antiguos destellos, de manera similar a cómo se utilizan los ecos retardados para mapear la forma de una cueva.

"Esta notable medición muestra cuán poderoso es XRISM para descubrir la historia oculta del centro de nuestra galaxia", dijo Zhang. "Al resolver las líneas de hierro con tanta claridad, ahora podemos leer la actividad pasada del centro galáctico con un detalle sin precedentes".

Los datos muestran por primera vez cómo la resolución energética de XRISM puede medir características extremadamente finas en el universo. El equipo espera que el telescopio abra muchas nuevas vías de descubrimiento.

"Somos solo los científicos afortunados que pudimos resolver los problemas al manejar estos datos de esta manera completamente nueva", dijo DiKerby. "Una de mis cosas favoritas de ser astrónomo es darme cuenta de que soy el primer humano en ver esta parte del cielo de esta manera".

En un estudio relacionado, publicado también en The Astrophysical Journal, un equipo liderado por Laura Brenneman del Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian utilizó XRISM junto con otros dos telescopios para obtener el espectro de rayos X más nítido jamás logrado de una galaxia activa, proporcionando la visión más precisa de los efectos relativistas extremos impresos en el espacio-tiempo alrededor de un agujero negro supermasivo.

Los agujeros negros astrofísicos tienen solo dos propiedades: masa y giro. "Podemos estimar sus masas por varios medios diferentes, pero medir sus giros es mucho más difícil y requiere recopilar datos del gas que orbita el agujero negro inmediatamente fuera del horizonte de eventos", explicó Brenneman.

La investigación confirma una distintiva línea de emisión de hierro deformada en el espectro de rayos X, que es evidencia de material orbitando a velocidades extremas cerca del horizonte de eventos del agujero negro. El disco interno de rápido movimiento produce aproximadamente 50 veces más reflexión de rayos X que las nubes de gas más distantes, sugiere el estudio.

Brenneman señaló que los astrónomos ahora podrán usar XRISM para verificar la precisión de mediciones previas de giro de agujeros negros realizadas con espectros de rayos X de menor resolución.

"Queremos volver y mirar todas las fuentes para las que tenemos espectros de menor resolución y observarlas con XRISM, y decir: 'Bien, ahora que estamos seguros de que podemos separar las características estrechas y las amplias, ¿qué tan precisas fueron nuestras mediciones de giro anteriores?'", explicó.

Los datos también han revelado al menos cinco "zonas" diferentes de un viento que está siendo impulsado hacia afuera como subproducto de la acreción hacia el agujero negro, dijo Brenneman.

"Entender estos vientos además del giro del agujero negro es importante porque pueden decirnos cómo crecen y evolucionan las galaxias, ya sea principalmente recolectando gas o por fusiones con otras galaxias y agujeros negros", añadió. "Así que medir estas dos cantidades con precisión nos da una visión holística de la relación simbiótica entre los agujeros negros supermasivos y sus galaxias anfitrionas".