Descubren misterio en los vientos cósmicos

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La Misión de Imágenes y Espectroscopía de Rayos X (XRISM, por X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) ha revelado una diferencia inesperada entre los potentes vientos que emanan de un disco alrededor de una estrella de neutrones y los del material que orbita agujeros negros supermasivos. El viento sorprendentemente denso que sopla desde el sistema estelar desafía la comprensión de los científicos de cómo se generan estos vientos e impulsan los cambios en su entorno.

Impresión artística de los poderosos vientos que soplan desde la brillante fuente de rayos X GX13+1. Los rayos X provienen de un disco de materia caliente, conocido como disco de acreción, que desciende gradualmente en espiral para golpear la superficie de una estrella de neutrones. Crédito de la imagen: Agencia Espacial Europea-XRISM-ATG Europe

El 25 de febrero de 2024, XRISM utilizó su instrumento Resolve para observar la estrella de neutrones GX13+1, el núcleo quemado de una estrella que antaño era más grande. GX13+1 es una brillante fuente de rayos X. Los rayos X provienen de un disco de materia caliente, conocido como disco de acreción, que desciende gradualmente en espiral hasta impactar la superficie de la estrella de neutrones.

Estas entradas también impulsan salidas que influyen y transforman el entorno cósmico. Sin embargo, los detalles de cómo se producen estas salidas siguen siendo materia de investigación. De ahí la razón por la que XRISM observaba GX13+1.

Dado el poder sin precedentes de Resolve para extraer la energía de los fotones de rayos X entrantes, el equipo de XRISM esperaba ver esos detalles como nunca antes.

«Cuando vimos por primera vez la riqueza de detalles de los datos, sentimos que estábamos presenciando un resultado revolucionario», afirmó Matteo Guainazzi, científico del proyecto XRISM de la Agencia Espacial Europea. «Para muchos de nosotros, fue la realización de un sueño que habíamos perseguido durante décadas», dijo.

Estos vientos cósmicos son mucho más que curiosidades científicas: son los que impulsan el cambio cósmico.

También surgen de sistemas de agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias y pueden provocar la formación de estrellas al provocar el colapso de nubes moleculares gigantes, o detener la formación estelar calentando y destruyendo dichas nubes. Los astrónomos llaman a esto «retroalimentación» y puede ser tan potente que los vientos de un agujero negro supermasivo pueden controlar el crecimiento de toda su galaxia madre.

Dado que los mecanismos que generan los vientos de los agujeros negros supermasivos pueden ser fundamentalmente los mismos que los que actúan alrededor de GX13+1, el equipo decidió observar GX13+1 porque está más cerca y, por lo tanto, parece más brillante que las variedades de agujeros negros supermasivos, lo que significa que se puede estudiar con más detalle.

Hubo una sorpresa. Unos días antes de la fecha prevista para sus observaciones, GX13+1 aumentó inesperadamente su brillo, alcanzando o incluso superando un techo teórico conocido como el límite de Eddington.

El principio tras este límite es que, a medida que más materia cae sobre un objeto compacto, como un agujero negro o una estrella de neutrones, se libera más energía. Cuanto más rápido se libera la energía, mayor es la presión que ejerce sobre el resto del material que cae, empujando una mayor cantidad de este hacia el espacio. En el límite de Eddington, la cantidad de luz de alta energía producida es prácticamente suficiente para transformar casi toda la materia que cae en un viento cósmico.

Y Resolve estaba observando GX13+1 mientras tenía lugar este asombroso suceso.

“No podríamos haber programado esto ni aunque lo hubiéramos intentado”, declaró Chris Done, de la Universidad de Durham en el Reino Unido, investigador principal del estudio. ****“El sistema pasó de aproximadamente la mitad de su emisión máxima de radiación a algo mucho más intenso, creando un viento más denso que nunca antes habíamos visto”**.

Pero misteriosamente, el viento no viajaba a la velocidad que esperaban los científicos detrás de XRISM. Se mantuvo alrededor de 1 millón de km/h. Si bien es rápido para cualquier estándar terrestre, es decididamente lento en comparación con los vientos cósmicos producidos cerca del límite de Eddington alrededor de un agujero negro supermasivo. En esa situación, los vientos pueden alcanzar entre el 20 % y el 30 % de la velocidad de la luz, más de 200 millones de km/h.

“Todavía me sorprende lo lento y lo denso que es este viento”, señaló Done. “Es como mirar el sol a través de un banco de niebla que se acerca. Todo se vuelve más oscuro cuando la niebla es densa”.

Esta no fue la única diferencia observada. XRISM había revelado previamente la presencia de viento proveniente de un agujero negro supermasivo en el límite de Eddington. Allí, el viento era ultrarrápido y grumoso, mientras que el viento en GX13+1 era lento y de flujo suave.

“Los vientos eran completamente diferentes, pero provienen de sistemas prácticamente iguales en cuanto al límite de Eddington. Entonces, si estos vientos realmente se alimentan únicamente de la presión de radiación, ¿por qué son diferentes?”, se preguntó Done.

Ante esta situación, el equipo de investigadores propuso que lo sucedido se reduce a la temperatura del disco de acreción que se forma alrededor del objeto central. Contrariamente a lo que podría creerse, los agujeros negros supermasivos tienden a tener discos de acreción con temperaturas más bajas que los que rodean sistemas binarios de masa estelar con agujeros negros o estrellas de neutrones.

Esto se debe a que los discos de acreción alrededor de los agujeros negros supermasivos son más grandes. También son más luminosos, pero su energía se distribuye en un área mayor: todo es más grande alrededor de un gran agujero negro. Por lo tanto, el tipo típico de radiación emitida por un disco de acreción de un agujero negro supermasivo es la ultravioleta, que transporta menos energía que los rayos X emitidos por los discos de acreción de las binarias estelares.

Dado que la luz ultravioleta interactúa con la materia mucho más fácilmente que los rayos X, Chris Done y sus colegas especulan que esto puede empujar la materia más eficientemente, creando los vientos más rápidos observados en los sistemas de agujeros negros.

De ser así, el descubrimiento promete transformar nuestra comprensión de cómo interactúan la energía y la materia en algunos de los entornos más extremos del Universo, proporcionando una ventana más completa a los complejos mecanismos que dan forma a las galaxias e impulsan la evolución cósmica.

“La resolución sin precedentes de XRISM nos permite investigar estos objetos, y muchos más, con mucho más detalle, allanando el camino para el telescopio de rayos X de alta resolución de próxima generación, como NewAthena”, afirmó Camille Diez, también investigadora de la ESA.

La misión XRISM fue lanzada el 7 de septiembre de 2023. Es una misión liderada por la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) en colaboración con la NASA y la ESA. Posee dos instrumentos: un calorímetro de rayos X llamado Resolve, capaz de medir la energía de fotones individuales de rayos X para producir un espectro con un nivel sin precedentes de «resolución energética» (la capacidad de un instrumento para distinguir los «colores» de los rayos X), y una cámara CCD de rayos X de amplio campo de visión llamada Xtend para obtener imágenes del campo circundante.

Cita
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El artículo Multi-phase winds from a super-Eddington X-ray binary are slower than expected (Los vientos multifásicos de un sistema binario de rayos X super-Eddington son más lentos de lo esperado) fue publicado en la revista Nature por la colaboración XRISM
El artículo XRISM uncovers a mystery in the cosmic winds of change fue publicado por la Agencia Espacial Europea