Los agujeros negros pueden alimentarse de una estrella cercana y crear vastos discos de acumulación de gas y polvo.  El efecto de la fuerte gravedad del agujero negro y el propio campo magnético del material puede provocar que el sistema en su conjunto emita niveles de radiación que cambian rápidamente. Esta radiación es la que ha sido detectada en el visible por el instrumento HiPERCAM del Gran Telescopio Canarias (GTC) y en rayos X por el observatorio NICER de la NASA a bordo de la Estación Espacial Internacional.

Diez mil años luz de distancia

El sistema de agujero negro estudiado se llama MAXI J1820+070 y fue descubierto por primera vez a principios de 2018. Está a sólo diez mil años luz de distancia, en nuestra propia galaxia. Tiene una masa equivalente a siete soles, pero comprimida en una región del espacio más pequeña que la ciudad de Londres. Investigar estos sistemas suele ser muy difícil ya que son demasiado pequeños y muy débiles para ser vistos. Sin embargo, los instrumentos HiPERCAM y NICER permiten a los investigadores crear películas, a más de trescientos fotogramas por segundo, de la luz cambiante del sistema, capturando fulguraciones violentas de luz visible y de rayos X simultáneamente.

Para la película que acaba de presentarse se utilizaron datos reales, pero se redujo a una décima parte de la velocidad real para permitir que las fulguraciones más rápidas fueran detectadas por el ojo humano, ya que algunas de ellas duran tan solo unos pocos milisegundos y el material alrededor del agujero negro es tan brillante que eclipsa a la estrella que está consumiendo. Los investigadores  comprobaron cómo los destellos más rápidos en luz visible surgen una fracción de segundo después de los rayos X, algo que ya se había visto en dos sistemas que contienen agujeros negros, pero nunca con un nivel de detalle como ahora.

Según John Paice, estudiante de posgrado de la Universidad de Southampton y autor principal del estudio, «el hecho de que ahora lo hayamos visto en tres sistemas, refuerza la idea de que se trata de una característica común de estos agujeros negros en crecimiento. Si es cierto, puede que nos esté diciendo algo fundamental sobre cómo funcionan los flujos de materia alrededor de estos enigmáticos objetos cósmicos».

«Datos increíbles»

Comprender la física y la naturaleza de estos flujos de materia alrededor de los agujeros negros es un tema candente de investigación astrofísica. Tariq Shahbaz, investigador del IAC que ha participado en el estudio, considera que «los datos obtenidos con HiPERCAM son increíbles ya que las observaciones sugieren que podríamos estar viendo signos de estratificación dentro de las regiones cercanas a la base del jet».

Por su parte, Romano Corradi, director del GTC, destaca cómo la nueva instrumentación está ayudando a una mejor compresión de estos fenómenos: «Estos resultados son un claro ejemplo de cómo la combinación de la gran área colectora del GTC y las capacidades únicas del instrumento HiPERCAM de poder obtener imágenes a gran velocidad y en varios colores simultáneamente, están abriendo nuevas áreas de estudio de los fenómenos en rápida evolución en el Universo».

La investigación ha contado con el apoyo financiero del Science and Technology Facilities Council (Reino Unido), la Universidad de Southampton, la UK-India Education and Research Initiative Thematic Partnerships, la Comisión de Becas Universitarias (India), el Programme National Hautes Energies (Francia), la Agence Nationale de la Recherche (Francia), el Ministerio de Economía y Empresa (España), la Academia de Finlandia y el Consejo Europeo de Investigación.

Los resultados del estudio se han publicado en la prestigiosa Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

Las nebulosas planetarias son envolturas de gas y polvo que, estrellas parecidas a nuestro Sol, expulsan al final de sus vidas. «En muchos casos vemos que la expulsión de materiales se origina de una interacción entre el astro progenitor y una compañera cercana, y por eso forman otras con estructuras tan elaboradas», explica Jones.

En el futuro se puede generar una explosión de nova

Según Brent Miszalski, investigador del Telescopio SALT en Sudáfrica y coautor del estudio, «tenía que ser una estrella binaria, por eso decidimos observarla para intentar entender la relación entre ellas y lo que formaron «. De hecho, la separación calculada entre las dos es de, aproximadamente, 160 000 kilómetros, es decir, menos de la mitad de la distancia entre la Tierra y la Luna.

Después de varias campañas de observaciones en Chile con los telescopios Very Large Telescope (VLT) y New Technology Telescope (NTT), se consiguieron recopilar los datos suficientes para averiguar su masa, temperatura y tamaño. “Para nuestra sorpresa descubrimos que eran grandes y que, al estar tan cerca, es muy probable que, dentro de unos miles de años, podamos ver una explosión de nova», añade Paulina Sowicka, estudiante del Centro Nicolas Copernicus en Polonia.

El resultado de las indagaciones contradice las actuales teorías de evolución de binarias que sostienen que, una vez formada la nebulosa planetaria, las estrellas permanecen separadas durante mucho tiempo antes de llegar a contactar de nuevo. «En el caso de M3-1, vemos otro candidato que puede experimentar una evolución similar; como  se están casi tocando, no deberían tardar mucho en volver a interaccionar y, quizás, a producir una nova dentro de una nebulosa planetaria», concluye Jones.

Utilizando datos del Telescopio Víctor M. Blanco (de 4 metros de diámetro), instalado en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo, y del Telescopio Landon Clay (6 metros), también conocido como Magallanes 2, del Observatorio Las Campanas, ambos en Chile, observaron claros signos de haber absorbido otro sistema de menor tamaño.

«La explicación más razonable es que, originalmente, las galaxias que se fusionaron tenían metalicidades distintas”

Al analizarla, apreciaron que la distribución espacial de las estrellas azules (pobres en metales) se torna redonda y regular, mientras que la de las rojas (ricas en estos materiales) se muestra mucho más elíptica e irregular, con la presencia de una sobredensidad estelar en su lado noreste. “La explicación más razonable para este fenómeno es que, originalmente, las galaxias que se fusionaron tenían metalicidades distintas”, explica Cicuéndez.

Del mismo modo, tanto el estudio de velocidades como el de indicadores de la composición química revelan la presencia de una subestructura espacial con forma de anillo. “Este hallazgo probaría que el modelo jerárquico, por el cual estas formaciones se fusionarían para formar otras de mayor tamaño, puede seguir explicando las más pequeñas conocidas como las enanas”, señala Battaglia, coautora del trabajo.

Más información en ww.iac.es/prensa.

Un artículo publicado recientemente en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) confirma la evolución de los tránsitos producidos por los restos de un planetesimal orbitando la enana blanca WD 1145+017. Estos “escombros” pasan por delante de la estrella cada 4,5 horas, ocultando parte de la luz que esta emite, y se encuentran en continua interacción y fragmentación, lo que se traduce en importantes cambios en la profundidad y forma de los tránsitos observados.

¿Qué es exactamente una enana blanca?

WD 1145+017 es una enana blanca: el remanente de un astro que ha agotado todo su combustible nuclear. La mayoría de estas formaciones tienen una masa menor que la del Sol y un tamaño similar al de La Tierra. Diversas investigaciones apuntan a que el 95 % de todas las estrellas del Universo acabarán sus vidas convertidas en enanas blancas. Entre ellas, nuestro propio Sol.

Aunque descubierto en 2015, este sistema ha atraído la atención de una gran cantidad de equipos de indagación. Este último proyecto presenta, por primera vez, datos espectroscópicos del Gran Telescopio Canarias obtenidos simultáneamente a datos fotométricos con el Telescopio Liverpool, ambos instalados en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma).

“Fuera de tránsito suponemos un flujo del 100 %, ya que nada se interpone en el camino de la luz que emite la enana blanca”, explicó la investigadora del IAC/ULL. “Pero cuando hay material en órbita que pasa entre nosotros y la estrella, la cantidad de luz que recibimos es menor. Este descenso es del 50 % en el tránsito de mayor profundidad que hemos observado: hay nubes de polvo como consecuencia de la fragmentación del planetesimal que son capaces de ocultar la mitad de la luz de la enana blanca”, indicó.

Los tránsitos que se ven son grises

La investigación confirma, además, que los tránsitos en el rango visible del espectro son grises. Es decir, no hay relación entre la profundidad del tránsito y la longitud de onda, por lo que los tránsitos tienen la misma profundidad en las cinco bandas estudiadas. Los autores desarrollan una nueva hipótesis donde el descenso del flujo sería originado por una estructura ópticamente gruesa, en detrimento de la ópticamente delgada que se postulaba anteriormente.

“El tránsito más profundo presenta una estructura compleja que hemos conseguido modelizar con la superposición de diferentes nubes de polvo, como si se tratara de seis fragmentos equiespaciados procedentes del planetesimal”, señaló Pablo Rodríguez-Gil, coautor del artículo, investigador del IAC y profesor de la ULL.

Entre otros aspectos, el equipo también ha observado una disminución en la cantidad de absorción producida por hierro durante el tránsito más profundo detectado. “Parte de esta línea de absorción no se origina en la atmósfera de la enana blanca, sino en un disco de gas orbitando alrededor de esta, por lo que demostramos que el disco de fragmentos y el de gas deben estar correlacionados espacialmente”, argumentó el coautor Boris Gänsicke, investigador de la University of Warwick (Reino Unido).

En los últimos años se están buscando galaxias candidatas a presentar un SMBH desplazado de su posición de equilibrio. Entre los escenarios que pueden originar este desplazamiento se encuentran la fusión de dos SMBH o la existencia de un sistema binario de SMBHs, lo cual nos da información acerca de la evolución galáctica y de la frecuencia de formación y fusión de este tipo de objetos.

Una de las galaxias candidatas a presentar un SMBH desplazado es la gigante elíptica M87, que contiene uno de los núcleos activos de galaxia (AGN, por sus siglas en inglés) más cercanos y mejor estudiados. Investigaciones previas del desplazamiento del SMBH de M87 dieron resultados muy diferentes entre sí, lo que resultaba confuso. Sin embargo, un nuevo estudio realizado por la estudiante de la Universidad de La Laguna, Elena López Navas, ha aportado nuevos datos que sugieren que el SMBH de esta galaxia se encuentra en su posición de equilibrio y que los desplazamientos encontrados se deben a variaciones en el centro de producción de luz o fotocentro provocadas por estallidos provenientes de su jet relativista, un flujo de materia que el propio agujero expulsa al exterior a velocidades cercanas a la de la luz.

Trabajo de fin de máster

Para la investigación ha sido necesario analizar un gran número de imágenes en alta resolución de M87 tomadas en diferentes momentos y con diversos instrumentos instalados en el Hubble Space Telescope (HST) y el Very Large Telescope (VLT). “En nuestro trabajo hemos encontrado que el SMBH se encuentra en una posición estable a lo largo de los últimos 20 años; por el contrario, lo que cambia es el centro de producción de luz o fotocentro”, explica López, autora de este estudio, realizado como trabajo de fin de máster en Astrofísica, que acaba de ser publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

“Ante estos resultados, nos dimos cuenta de que las imágenes que presentaban un desplazamiento del centro de la galaxia se tomaron en una época en la que M87 tuvo un gran estallido que pudo ser medido en todos los rangos del espectro electromagnético”, añade Almudena Prieto, coautora del artículo e investigadora del IAC. Este estallido tuvo lugar entre los años 2003 y 2007 en el nudo del jet más cercano al núcleo de M87 conocido como HST-1. Durante el tiempo que duró el fenómeno, este nudo aumentó su flujo llegando a brillar incluso más que el propio núcleo.

Los nuevos datos obtenidos han causado un gran interés entre la comunidad astrofísica, ya que el estudio de la posición del SMBH de M87 es crucial para entender la evolución de esta galaxia y para el análisis de los jets en otros AGN. “Además, esta investigación nos recuerda que hay que ser cautos a la hora de estudiar fuentes variables que presenten irregularidades como, en este caso, un enorme jet”, advierte López, quien actualmente realiza una beca de formación en investigación astrofísica en el IAC.