Partículas subatómicas en el ‘jet’ de un agujero negro

Los astrónomos conocían que los agujeros negros emiten chorros de materia –o jets relativistas– tanto en sistemas binarios, en los que orbitan junto con una estrella compañera, como en aquellos que se sitúan en los centros de las galaxias, en los llamados cuásares. Estos chorros o jets han sido estudiados durante décadas, pero todavía se desconoce su composición.

Ahora, un trabajo publicado en Nature y liderado por investigadores de la Universidad de Barcelona (UB), el Observatorio Europeo Austral (ESO) y la Universidad de Curtin (Australia) ha podido determinar la existencia de partículas subatómicas en el jet relativista proveniente del agujero negro del sistema binario 4U 1630-47.

Las observaciones sugieren que esas partículas son bariones (protones y núcleos de elementos más pesados). Los jets bariónicos sólo se han confirmado en otro raro sistema, y los indicios de la presencia o ausencia de bariones en jets relativistas han sido contradictorios, por lo que el nuevo resultado ayuda a despejar la duda.

“El hallazgo supone una sorpresa positiva, porque deja claro que la composición de los jets de agujeros negros es más rica, contiene otras partículas además de electrones”, señala la autora principal María Díaz Trigo, de ESO en Múnich, Alemania. “En concreto, en nuestras observaciones detectamos la presencia de núcleos ionizados de dos elementos pesados, hierro y níquel”.

“En este trabajo hemos hallado la composición de los jets relativistas emitidos desde los discos de los agujeros negros, aunque se necesitan más estudios para comprobar si estos resultados pueden extrapolarse a otras fuentes de jets”, añade Simone Migliari, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la UB.

Según el investigador, el estudio muestra que los chorros “son jets pesados que contienen núcleos atómicos, más que jets ligeros –solo formados por electrones y positrones–, y este descubrimiento también implica que los pesados expulsan significativamente más energía del sistema binario de la que expulsaría uno ligero”.

Estos jets bariónicos, constituidos por materia pesada, son probablemente accionados por el disco de acreción y no tanto por el movimiento de rotación del agujero negro.

“El hecho de que esta materia pesada se pueda acelerar hasta velocidades relativistas, implica que estos sistemas han de ser fuentes de rayos gamma y de emisión de neutrinos”, explica Migliari, actualmente investigador visitante en el Centro de Astrobiología (CAB) del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CSIC-INTA).

Robo de material al compañero

Los agujeros negros en sistemas binarios atrapan material de sus compañeros, formando así un disco de material que rota alrededor del agujero negro a una gran velocidad. Como consecuencia, la materia se comprime y se calienta lo suficiente como para emitir rayos X.

En el trabajo también se ha podido estimar la velocidad de los jets, que es de dos terceras partes la velocidad de la luz. Este dato se puede obtener midiendo el denominado desplazamiento Doppler de las líneas de emisión de núcleos atómicos de hierro detectadas.

Las observaciones se realizaron en 2012 casi simultáneamente mediante dos tipos de instalaciones. Por un lado, los telescopios XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA), que permitieron realizar observaciones en el rango de los rayos X, con el cual puede observarse el disco que rodea al agujero negro. Por otro, el Australia Telescope Compact Array (ATCA), empleado para realizar observaciones en el rango del radio, lo que permite observar el jet relativista.

“En nuestras observaciones detectamos la presencia de núcleos ionizados de dos elementos pesados, hierro y níquel”, afirma María Díaz Trigo, del Observatorio Austral Europeo (ESO), en Múnich, Alemania, autora principal del trabajo que publica en la revista Nature.