El agujero negro que proyecta una sombra sobre su propio disco: una sorprendente paradoja cósmica descubierta

La naturaleza sigue planteando nuevos desafíos a los astrónomos, quienes los aprovechan como oportunidades para profundizar en la comprensión de la propia naturaleza. Entre los retos más recientes se encuentra un agujero negro cuyo comportamiento paradójico pone en entredicho los modelos actuales, impulsando la búsqueda de otros mejores.

Un agujero negro que se alimenta de una estrella compañera

El agujero negro MAXI J0637−430 fue descubierto hace relativamente poco, en 2019, por un telescopio —el telescopio MAXI, del cual toma su nombre— instalado en la Estación Espacial Internacional (EEI).

Estudios posteriores, llevados a cabo mediante otros telescopios sensibles a la radiación de rayos X emitida por los agujeros negros, incluidos los telescopios espaciales Swift y NuSTAR, revelaron que se encuentra a unos 30 000 años luz del sistema solar, posee una masa de entre 5 y 10 veces la del Sol y está unido gravitacionalmente a una estrella de la cual extrae materia.

MAXI J0637−430 es un componente de un sistema binario con un periodo orbital, el tiempo que tarda en completar una órbita alrededor del centro de masa común del sistema, de aproximadamente 2 horas.

Estudios recientes realizados en el Instituto de Astrofísica de Canarias, dirigidos por la astrónoma Montserrat Armas Padilla, han revelado un comportamiento intrigante en este agujero negro; un descubrimiento que pone de manifiesto que la estructura de estos objetos es aún más compleja de lo que se pensaba anteriormente.

El comportamiento (aparentemente) paradójico de MAXI J0637−430

Utilizando el espectrógrafo X-shooter, instalado en el Very Large Telescope (VLT) del ESO en Chile, los astrónomos observaron que, a medida que disminuía la luminosidad en la región central del agujero negro, aumentaba la luminosidad en las zonas exteriores del disco que lo rodea.

Esta aparente paradoja ha sido explicada por los astrónomos.

Cuando el flujo de materia que cae hacia un agujero negro experimenta un aumento temporal, se produce un incremento repentino de la luminosidad, conocido como "estallido" (o outburst). A esto le sigue, posteriormente, un retorno gradual del disco a su nivel de brillo habitual.

Paradójicamente, tras un estallido, MAXI J0637−430, mientras volvía a un nivel de luminosidad más bajo, mostró un aumento en el brillo de su disco exterior; un comportamiento inesperado e inicialmente inexplicable.

Una posible explicación es que el estallido aumenta el grosor del disco en sus regiones internas, lo que impide que la radiación de rayos X llegue a las partes más externas, las cuales, en la práctica, quedan a la sombra y las calienta. Una vez que el estallido concluye y el disco interno se vuelve más delgado, la radiación de rayos X, que sigue siendo intensa, logra alcanzar y calentar el disco externo.

Lo que se observa, entonces, es que, si bien la luminosidad global del agujero negro disminuye, la luminosidad local del disco exterior aumenta.

Este fenómeno recuerda a una lámpara cubierta por una pantalla. Si reducimos la potencia de la bombilla pero, al mismo tiempo, retiramos la pantalla, ciertas superficies que antes permanecían en sombra pueden recibir más luz que anteriormente.

Un descubrimiento que podría transformar los modelos de agujeros negros

Este hallazgo podría influir en diversos aspectos de la astrofísica de los agujeros negros, empezando por la medición de su velocidad de rotación, o "spin".

Según los modelos actuales, el disco se expande cuando su luminosidad alcanza el límite de Eddington; es decir, cuando ejerce la presión suficiente para contrarrestar la fuerza de la gravedad, la cual, de otro modo, mantendría el disco delgado.

En el caso de MAXI J0637−430, la expansión del disco, que proyectaba una sombra sobre su parte exterior, se produjo a niveles de aproximadamente el 10–20 % del límite de Eddington.

Los parámetros de los discos en torno a los agujeros negros, como su rotación, dependen de las suposiciones que se realicen sobre la geometría de las regiones más internas del disco. Si resulta que el disco es más grueso de lo previsto, es posible que algunas estimaciones actuales requieran una corrección.

Como suele ocurrir, a medida que avanzan las técnicas de observación y análisis de datos y se descubre una variedad cada vez mayor de objetos, los modelos simplificados resultan insuficientes. Por tanto, se requieren nuevos esfuerzos teóricos para representar con mayor precisión estos objetos y fenómenos excepcionalmente complejos.