Los astrónomos han utilizado el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) para observar una violenta danza cósmica entre un par de agujeros negros supermasivos en el corazón de una galaxia distante. La evidencia de esta cita entre monstruos cósmicos reside en las retorcidas propiedades de los chorros que estallan alrededor de los agujeros negros.
El par de agujeros negros supermasivos, o binario, se esconde en el corazón del quásar OJ287, situado en el centro de una galaxia a unos 1.600 millones de años luz de la Tierra. Utilizando un nivel de resolución que permitiría detectar una pelota de tenis en la superficie de la luna, el equipo detectó dos ondas de choque fluyendo por el chorro de OJ287. Curiosamente, los amortiguadores se vieron viajando a diferentes velocidades. Y a medida que viajan, pasando a través de fuertes campos magnéticos, estas ondas de choque parecen producir un fenómeno nunca antes visto.
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Desde entonces, el EHT ha seguido causando sensación en la ciencia de los agujeros negros.
“Este resultado muestra que el EHT no sólo es útil para producir imágenes espectaculares, sino que también puede usarse para comprender la física que gobierna los chorros de los agujeros negros”, dijo en un comunicado Mariafelicia De Laurentis, miembro del equipo del EHT. “Distinguir observacionalmente entre lo que se debe a la geometría y lo que es el resultado de procesos físicos reales es un paso clave para comparar los modelos teóricos con las observaciones”.
Instantáneas de un chorro de agujero negro
El equipo capturó dos instantáneas del sistema OJ287 el 5 de abril de 2017 y luego el 10 de abril del mismo año. Estos revelaron cambios sustanciales tanto en la estructura como en la polarización del OJ287 que ocurrieron en el transcurso de solo cinco días terrestres. Éste es el intervalo más corto durante el cual se han observado tales cambios en un chorro de agujero negro.
Se cree que estos cambios son el resultado de choques que interactúan con inestabilidades en la velocidad llamadas inestabilidades de Kelvin-Helmholtz. Resultan en una estructura muy retorcida dentro de un chorro, con tres componentes polarizados distintos: dos más lentos y que giran en direcciones opuestas entre sí, uno más rápido y que gira en sentido contrario a las agujas del reloj. Esto representó la primera confirmación directa de un campo magnético helicoidal con el chorro de un agujero negro.
“Estamos resolviendo espacialmente los componentes individuales del choque y observando su interacción con las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz”, dijo Ilje Cho, miembro del equipo del Instituto Coreano de Astronomía y Ciencias Espaciales. “Esta es la primera vez que observamos directamente esta interacción entre shocks e inestabilidades en un chorro de agujero negro”.
“Estas variaciones observadas en el chorro generalmente se interpretan en términos de un efecto de precesión del propio chorro. Sin embargo, los modelos de precesión esperarían que los componentes del chorro se movieran balísticamente a lo largo del chorro”, dijo Rocco Lico, miembro del equipo EHT del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF). “Nuestras observaciones, sin embargo, indican movimientos no balísticos de estos componentes, lo que pone en duda la hipótesis de la precesión como única explicación para la morfología observada de la fuente”. Los rápidos movimientos medidos por el equipo sugirieron que la energía cinética de las partículas excede la energía magnética dentro de las regiones internas del chorro. Esto favorece el desarrollo de inestabilidades Kelvin-Helmholtz, que surgen debido a la diferencia de velocidad en la superficie entre el chorro, que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz, y la materia circundante, mucho más lenta. Estas inestabilidades pueden causar distorsiones en forma de hélice que se manifiestan como una estructura “retorcida”, como la que el EHT detectó en el avión OJ287.
La estructura retorcida del chorro observada en OJ287, el alto grado de polarización de los tres componentes y la evolución de sus ángulos de polarización indican una interacción compleja entre las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz y los choques en un chorro permeado por un campo magnético helicoidal.
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“Estas rotaciones en direcciones opuestas son la prueba irrefutable”, dijo en el comunicado el líder del equipo de investigación, José L. Gómez, del Instituto de Astrofísica de Andalucía-Csic. “Cuando los componentes de la onda de choque interactúan con la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, iluminan diferentes fases de la estructura helicoidal del campo magnético, produciendo las oscilaciones de polarización que observamos”.
El modelo del equipo propone que las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz generan estructuras filamentosas que interactúan con los choques que se propagan en el chorro.
“Estas interacciones comprimen el campo magnético y amplifican la emisión en regiones específicas del chorro, lo que explica las características observadas tanto en la intensidad total como en la luz polarizada, así como las rápidas variaciones en los ángulos de polarización y los aparentes movimientos no balísticos observados, a pesar de la presencia de un chorro globalmente rectilíneo”, dijo Lico. “Por primera vez, los datos EHT de alta resolución nos permiten visualizar directamente estas estructuras, proporcionando evidencia concreta de la interacción entre las inestabilidades de los chorros, los choques y los campos magnéticos helicoidales”.
OJ287 era el candidato ideal para realizar estas observaciones porque los agujeros negros supermasivos danzantes de este par son bien conocidos por sus estallidos periódicos, lo que lo convierte en un laboratorio único para estudiar la física de los agujeros negros.
La investigación del equipo fue publicada el 8 de enero en la revista Astronomy & Astrophysics.