Este agujero negro no gira como tú crees

Un hallazgo muy reciente demuestra que el eje de rotación de uno de los agujeros negros está inclinado más de 40 grados con respecto al eje de la órbita estelar.

Esta es la primera medición fiable que muestra una gran diferencia entre el eje de rotación de un agujero negro y el eje de la órbita de un sistema binario. La diferencia entre los ejes medidos por los investigadores en un sistema estelar binario  fue de más de 40 grados. Generalmente, para los sistemas espaciales con objetos más pequeños que orbitan alrededor del cuerpo masivo central, el propio eje de rotación de este cuerpo está alineado en un alto grado con el eje de rotación de sus satélites. Una desalineación tan extrema es difícil de obtener en muchos escenarios de formación de agujeros negros y evolución binaria. La diferencia de más de 40 grados entre el eje orbital y la rotación del agujero negro fue completamente inesperada para los científicos.

Los agujeros negros son objetos gravitatorios, y eso significa que deforman el espacio-tiempo a su alrededor. Un agujero negro binario es un sistema que consta de dos agujeros negros en órbita cercana entre sí. Como los agujeros negros mismos, los agujeros negros binarios a menudo se dividen en agujeros negros binarios estelares, formados como remanentes de sistemas estelares binarios de gran masa o por procesos dinámicos y captura mutua; y agujeros negros supermasivos binarios, que se cree que son el resultado de fusiones galácticas.

El efecto de la rotación es crear alrededor del horizonte de sucesos una región en la que sólo se puede girar. Esa región se llama ergosfera, y tiene una forma similar a un dónut con el horizonte de sucesos en el hueco. El momento angular se traduce en que el agujero negro va a obligar a girar a todas las cosas que tenga cerca. La primera etapa de la vida de un agujero negro binario es la inspiral, una órbita que se contrae gradualmente. Las primeras etapas de la inspiración toman mucho tiempo, ya que las ondas gravitacionales emitidas son muy débiles cuando los agujeros negros están distantes entre sí. Además de la reducción de la órbita debido a la emisión de ondas gravitacionales, se puede perder un momento angular adicional debido a las interacciones con otra materia presente, como otras estrellas.

A medida que la órbita de los agujeros negros se contrae, aumenta la velocidad y aumenta la emisión de ondas gravitacionales. Cuando los agujeros negros están cerca, las ondas gravitacionales hacen que la órbita se contraiga rápidamente.

Gracias a un hallazgo muy reciente se observó un sistema binario donde el eje de rotación de uno de los agujeros negros está inclinado más de 40 grados con respecto al eje de la órbita estelar. Con este estudio, los Investigadores de la Universidad de Turku desafían los modelos teóricos actuales de formación de agujeros negros.

Esta es la primera medición fiable que muestra una gran diferencia entre el eje de rotación de un agujero negro y el eje de la órbita de un sistema binario. La diferencia entre los ejes medidos por los investigadores en un sistema estelar binario llamado MAXI J1820+070 fue de más de 40 grados.

Generalmente para los sistemas espaciales con objetos más pequeños que orbitan alrededor del cuerpo masivo central, el propio eje de rotación de este cuerpo está alineado en un alto grado con el eje de rotación de sus satélites. Esto también es cierto para nuestro sistema solar: los planetas orbitan alrededor del Sol en un plano que coincide aproximadamente con el plano ecuatorial del Sol. La inclinación del eje de rotación del Sol con respecto al eje orbital de la Tierra es de sólo siete grados.

“La expectativa de alineación, en gran medida, no es válida para los objetos extraños, como los binarios de rayos X de los agujeros negros. Los agujeros negros en estos sistemas se formaron como resultado de un cataclismo cósmico: el colapso de una estrella masiva. Ahora vemos el agujero negro arrastrando materia de la estrella compañera cercana y más ligera que orbita a su alrededor. Vemos una brillante radiación óptica y de rayos X como el último suspiro del material que cae, y también la emisión de radio de los chorros relativistas expulsados ​​del sistema”, dice Juri Poutanen, profesor de astronomía en la Universidad de Turku y autor principal del estudio. 

Observando estos chorros, se pudo determinar con mucha precisión la dirección del eje de rotación del agujero negro. A medida que la cantidad de gas que caía de la estrella compañera al agujero negro comenzó a disminuir, el sistema se desvaneció y gran parte de la luz del sistema provenía de la estrella compañera. De esta forma fue como los investigadores pudieron medir la inclinación de la órbita.

«Para determinar la orientación 3D de la órbita, también se debe conocer el ángulo de posición del sistema en el cielo, es decir, cómo gira el sistema con respecto a la dirección norte en el cielo. Esto se midió utilizando técnicas polarimétricas», explica Juri Poutanen.

Una desalineación tan extrema es difícil de obtener en muchos escenarios de formación de agujeros negros y evolución binaria. “La diferencia de más de 40 grados entre el eje orbital y la rotación del agujero negro fue completamente inesperada. Los científicos a menudo han asumido que esta diferencia es muy pequeña al modelar el comportamiento de la materia en el espacio-tiempo curvo alrededor de un agujero negro. Los modelos actuales ya son muy complejos, y ahora los nuevos hallazgos nos obligan a agregarles una nueva dimensión”, dice Poutanen.

El hallazgo clave se realizó utilizando el instrumento polarimétrico DIPol-UF construido internamente montado en el Telescopio Óptico Nórdico, que es propiedad de la Universidad de Turku junto con la Universidad de Aarhus en Dinamarca.

Los resultados publicados en la revista Science abren interesantes perspectivas para el estudio de la formación de agujeros negros y la evolución de este tipo de sistemas.


Referencia:

University of Turku 2022. Death Spiral: a Black Hole Spins on Its Side (Press Release)

 

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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