Eco en los agujeros negros… negros… negros…

Título del artículo original: Returning radiation in strong gravity around black holes: Reverberation from the accretion disc

Autores: D.R. Wilkins, J.A. García, T. Dauser y A.C. Fabian

Institución del primer autor: Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University, 452 Lomita Mall, Stanford, CA 94305, USA.

Estado de la publicación: aceptado para publicación en MNRAS, acceso abierto en arXiv.

¿Y si le hablamos a los agujeros negros?

Tan exóticos como misteriosos los agujeros negros son uno de los objetos del universo que más interés atrae, y aunque el público general esté acostumbrado a verlos en películas poco sabe sobre los fascinantes fenómenos que ocurren a su alrededor. Para quienes no estén familiarizados, los agujeros negros son regiones del espacio donde el campo gravitatorio es tan intenso que ni si quiera la luz puede salir, de ahí su nombre. Hace poco la comunidad científica pudo obtener por fín la primera imagen de un agujero negro, y ahora se estudia su eco.
A pesar de que sería una noticia muy interesante, no han enviado a nadie a gritarle a un agujero negro. Tampoco serviría de mucho pues el sonido no se propaga por el espacio. En este caso el eco, fenómeno por el cual una onda se refleja y se emite de nuevo, se produce con rayos X.

Pero vayamos por partes, ¿de dónde salen los rayos X en un agujero negro? 

Un agujero negro, por definición no deja escapar nada que esté dentro, pero fuera en sus alrededores sí. Cuando la materia de una estrella o cualquier otro objeto es atraída hacia un agujero negro se forma un disco de acrección. Este disco, como se puede ver en la Figura 1, no es más que material girando alrededor del agujero negro. En la caída de materia a un disco de acreción la energía se convierte en calor y emite radiación. Debido al monstruoso campo gravitatorio de un agujero negro la materia que cae puede llegar a alcanzar temperaturas de millones de grados, emitiendo así rayos X o inlcuso cosas más energéticas.

Los rayos X emitidos están compuestos de fotones energéticos que son generados desde las regiones interiores del disco de acreción o desde la magneto-esfera del agujero negro mediante el efecto Compton inverso, y se propagan a través de un campo gravitacional fuerte, tan fuerte que una fracción significativa de los rayos X no logrará escapar y volverá a caer hacía el disco de acreción o hacia el agujero negro. La parte que se dirija hacía el agujero negro no podrá escapar una vez sobrepase el horizonte de eventos.

¿Y qué pasa con la parte de rayos X que vuelve a caer sobre el disco de acreción? Pues bien, aquí empieza lo divertido.

Los rayos X que se emiten pueden volver a caer al disco de acreción, donde pueden volver a emitirse, como una reflexión. Esto genera algo así como un eco de rayos X, o utilizando el nombre técnico, sería una radiación de retorno, como se ve en la Figura 2.

Estudio y aplicaciones del fenómeno

Para observar el eco producido tendríamos que obtener el espectro en rayos X de las diferentes reflexiones. Al igual que pasa con el efecto Doppler, las diferentes reflexiones de rayos X sufrirán un desplazamiento hacía el rojo. Sin embargo, hoy en día es bastante complicado obtener los datos sobre estas radiaciones de retorno, ya que con cada reflexión también pierden energía y dificulta su detección. Para este estudio el grupo de investigación usó simulaciones de trazado de rayos relativistas, con las que pudieron seguir el paso de los rayos X en la curvatura del espacio tiempo alrededor del agujero negro. Con esto obtuvieron la fracción de fotones que escapa o cae de nuevo al agujero negro, a diferentes radios de emisión. Esto se puede ver ilustrado en la figura 3.

¿Y para que nos sirve esto? Pues este fenómeno presentaría una oportunidad excepcional para usar los agujeros negros como laboratorios que prueben la teoría de la relatividad en sus alrededores. Tras su estudio los autores estiman que con la próxima generación de telescopios de rayos X, como ATHENA o XRISM, sería posible una detección directa de estos “ecos” de rayos X, lo que nos ayudaría a entender mejor la física tanto de los agujeros negros como de los discos de acreción.