Figura 1. Interpretación artística del medio que rodea a M101 ULX-1, mostrando un agujero negro de masa estelar (al frente) con disco en aumento. Gas de la estrella Wolf-Rayet (en la parte posterior) alimenta el voraz apetito del agujero negro. Observatorio Gemini /AURA trabajo de Lynette Cook.

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Figura 2. ULX-1 se ubica cercano al brazo espiral de M101. La imagen para M101 está compuesta de Rayos X (Observatorio de Rayos X Chandra; Púrpura), Infrarrojo (Satélite Spitzer; Rojo), Optico (Telescopio Espacial Hubble; Amarillo) y Ultravioleta (satélite GALEX; Azul). Crédit: Observatorio de Rayos XC handra, Satélite Spitzer, Telescopio Espacial Hubble y Satélite GALEX.

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Las observaciones de Gemini apoyan un descubrimiento inesperado. Un agujero relativamente pequeño (20-30 veces la masa de nuestro Sol) puede mantener un tremendo y voraz apetito mientras consume materia de una manera ordenada y eficiente – algo que previamente se pensaba imposible. La investigación también impacta la larga búsqueda de evasivos agujeros negros de masa intermedia. Los descubrimientos son publicados en el número del 28 de noviembre de 2013, de la publicación de Nature.

A partir de la 1:00 pm ET del miércoles, 27 de noviembre, la publicación de la investigación puede ser encontrada en: http://dx.doi.org/10.1038/nature12762

Observaciones de un agujero negro empoderando una energética fuente de rayos X en una galaxia ubicada a alrededor de 22 millones de años luz de distancia podría cambiar nuestra idea de cómo los agujeros negros consumen materia. Los descubrimientos indican que este agujero negro particular, pensado como el motor detrás de la fuente de emanación de alta energía de rayos X, es inesperadamente muy liviano y aunque es alimentado con grandes cantidades de polvo y gas por su compañera estelar masiva, traga este material con sorpresiva y ordenada delicadeza.

“Tiene muy buenos modales,” dice el integrante del equipo de investigación Stephen Justham, de los Observatorios Astronómicos Nacionales de China, Academia de Ciencias Chinas. Tales pesos livianos, explica, deben devorar materia casi cercana a sus límites teóricos de consumo para poder mantener el tipo de energía saliente observada. "Nosotros pensamos que cuando los pequeños agujeros negros fueron empujados hasta estos límites, no serían capaces de mantener esas maneras tan refinadas de consumir materia," dijo Justham. "Nosotros pensamos que mostrarían un comportamiento más complicado al estar comiendo tan rápido. Pero aparentemente estábamos equivocados."

Un giro sorprendente

Las fuentes de rayos X producen rayos X de alta y baja energía, lo cual los astrónomos denominan rayos X duros y suaves (respectivamente). En lo que pudiera parecer como una contradicción, los agujeros negros más grandes tienden a producir más rayos X suaves, mientras que los agujeros negros más pequeños tienden a producir relativamente más rayos X duros. Esta fuente, llamada M101 ULX-1, está dominada por rayos X suaves, por lo cual los investigadores esperaban encontrar un agujero negro más masivo como su fuente de energía lo indica.

Sin embargo, en un giro sorprendente, las nuevas observaciones hechas en el Observatorio Gemini y publicadas en el número del 28 de noviembre de Nature, indican que el agujero negro de M101 ULX-1 se encuentra en el rango pequeño y los astrofísicos no entienden la razón.

En modelos de cómo la materia cae dentro de los agujeros negros e irradia energía, los rayos X suaves provienen primariamente del disco en aumento (ver la ilustración), mientras que los rayos X duros son típicamente generados por una “corona” de alta energía alrededor del disco. Según modelos teóricos, la fuerza en la emisión de corona debiera incrementar a medida que el rango de crecimiento se acerque al límite teórico de consumo. Las interacciones entre el disco y la corona también eran esperables de volverse más complejas. Basadas en el tamaño del agujero negro encontrado en este trabajo, la región alrededor de M101-ULX-1 debiera, teóricamente estar dominada por rayos X duros y aparecer estructuralmente más complicada. Sin embargo, ese no es el caso.

“Se han sugerido teorías que permitirían que tales agujeros negros de baja masa coman así de rápido y brillen con tanta intensidad en rayos X. Pero esos mecanismos dejan huellas en el espectro de rayos X emitido, el cual este sistema no muestra,” dijo el autor líder Jifeng Liu,de los Observatorios Astronómicos Nacionales de China, Academia China de Ciencias. “De algún modo, este agujero negro, con una masa de apenas 20-30 veces la masa del Sol, es capaz de comer a un rango cercano a su máximo teórico y aún mantenerse plácido. Es sorprendete. La teoría ahora necesita explicar de alguna manera lo que está pasando.”

Un Dilema de agujero negro de masa intermedia

El descubrimiento también es un soplo para los astrónomos que esperan encontrar evidencia concluyente para un agujero negro de “masa intermedia” en M101 ULX-1. Estos agujeros negros tendrían masas aproximadas entre 100 y 1000 veces la masa del Sol, ubicándolos entre agujeros negros normales de masa estelar y los agujeros negros supermasivos monstruosos que residen en los centros de galaxias. Hasta ahora, estos objetos han sido frustrantemente evasivos, con candidatos potenciales pero con detección ampliamente aceptadas. Fuentes de rayos X ultra luminosos (ULXs) han sido uno de los principales lugares de escondite propuestos para los agujeros negros intermedios, y M101 ULX-1 fue uno de los más promisorios contendores.

“Los astrónomos que esperan estudiar estos objetos tendrán que enfocarse ahora en otros lugares por la cual evidencia indirecta de este tipo de agujeros negros se haya sugerido, ya sea en los aún más brillantes fuentes de rayos X “hiper-luminosos” o dentro de algunos cúmulos estelares densos,” explica el miembro del equipo de investigación Joel Bregman de la Universidad de Michigan.

“Muchos científicos pensaron que solo era cuestión de tiempo hasta que tuviéramos evidencia de un agujero negro de masa intermedia en M101 ULX-1,” dice Liu. Pero ambos descubrimientos de Gemini eliminan algo de esperanza para resolver un viejo puzzle y agregan el misterio fresco de cómo agujeros negros de masa estelar pueden consumir materia de manera tan calmada.

Para determinar la masa del agujero negro, los investigadores utilizaron el Espectrógrafo Multi Objetivo del telescopio de Gemini Norte en Mauna Kea, Hawai‘i para medir el movimiento de la acompañante. Estas estrellas emiten fuertes vientos estelares, de los cuales el agujero negro puede luego succionar materia. Este estudio también reveló que el agujero negro en M101 ULX-1 puede capturar más material de un viento estelar que lo que los astrónomos habían anticipado.

M101 ULX-1 es ultra-luminoso, con un brillo de un millón de veces más intenso que el Sol en ambos rayos X (desde el disco en crecimiento del agujero negro) y en el ultravioleta (de la estrella acompañante). El co-autor Paul Crowther de la Universidad de Sheffield en el Reino Unido agrega, "Aunque este no sea el primer agujero negro Wolf-Rayet binario que se haya descubierto hasta ahora, estando a 22 millones de años luz de distancia, fija una nueva distancia record para tal sistema. La estrella Wolf-Rayet habría muerto en una pequeña fracción del tiempo que le ha tomado a la luz alcanzarnos, así que este sistema ahora es probable que sea un agujero negro doble binario."

“Estudiar objetos como M101 ULX-1 en galaxias distantes nos da una amplia muestra de la diversidad de objetos en nuestro universo,” señala Bregman. “Es absolutamente asombroso que tengamos la tecnología para observar una estrella orbitando un agujero negro en otra galaxia así de lejana.”