Un disco de acreción es un torbellino colosal de gas y polvo que se acumula alrededor de un agujero negro o una estrella de neutrones como algodón de azúcar a medida que extrae material de una estrella cercana. A medida que el disco gira, levanta poderosos vientos que empujan y tiran del plasma giratorio en expansión. Estos flujos de salida masivos pueden afectar los alrededores de los agujeros negros al calentar y expulsar el gas y el polvo que los rodea.
A escalas inmensas, los «vientos de disco» pueden ofrecer pistas sobre cómo los agujeros negros supermasivos dan forma a galaxias enteras. Los astrónomos han observado signos de vientos de disco en muchos sistemas, incluidos los agujeros negros y las estrellas de neutrones. Pero hasta la fecha, solo han vislumbrado una visión muy estrecha de este fenómeno.
Ahora, los astrónomos del MIT han observado una franja más amplia de vientos en Hercules X-1, un sistema en el que una estrella de neutrones extrae material de una estrella similar al Sol. El disco de acreción de esta estrella de neutrones es único en el sentido de que se tambalea, o «hace precesión», a medida que gira. Aprovechando este bamboleo, los astrónomos han capturado diferentes perspectivas del disco giratorio y han creado un mapa bidimensional de sus vientos, por primera vez.
El nuevo mapa revela la forma y estructura vertical del viento, así como su velocidad: alrededor de cientos de kilómetros por segundo, o alrededor de un millón de millas por hora, que está en el extremo más suave de lo que pueden girar los discos de acreción.
Si los astrónomos pueden detectar más sistemas oscilantes en el futuro, la técnica de mapeo del equipo podría ayudar a determinar cómo los vientos del disco influyen en la formación y evolución de los sistemas estelares, e incluso de galaxias enteras.
«En el futuro, podríamos mapear los vientos de disco en una variedad de objetos y determinar cómo cambian las propiedades del viento, por ejemplo, con la masa de un agujero negro o con la cantidad de material que acumula», dice Peter Kosec, un postdoctorado en Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. «Eso ayudará a determinar cómo los agujeros negros y las estrellas de neutrones influyen en nuestro universo».
Kosec es el autor principal de un estudio que aparece en Naturaleza Astronomía. Sus coautores del MIT incluyen a Erin Kara, Daniele Rogantini y Claude Canizares, junto con colaboradores de múltiples instituciones, incluido el Instituto de Astronomía en Cambridge, Reino Unido.
Vista fija
Los vientos de disco se han observado con mayor frecuencia en binarios de rayos X, sistemas en los que un agujero negro o una estrella de neutrones extrae material de un objeto menos denso y genera un disco al rojo vivo de materia inspiradora, junto con el viento que sale. No está claro exactamente cómo se lanzan los vientos desde estos sistemas. Algunas teorías proponen que los campos magnéticos podrían triturar el disco y expulsar parte del material en forma de viento. Otros postulan que la radiación de la estrella de neutrones podría calentar y evaporar la superficie del disco en ráfagas al rojo vivo.
Las pistas sobre los orígenes de un viento se pueden deducir de su estructura, pero la forma y la extensión de los vientos de disco ha sido difícil de resolver. La mayoría de las binarias producen discos de acreción que tienen una forma relativamente uniforme, como donas delgadas de gas que giran en un solo plano. Los astrónomos que estudian estos discos desde satélites o telescopios lejanos solo pueden observar los efectos de los vientos del disco dentro de un rango fijo y estrecho, en relación con su disco giratorio. Cualquier viento que los astrónomos logran detectar es, por lo tanto, una pequeña porción de su estructura más grande.
«Solo podemos sondear las propiedades del viento en un solo punto, y estamos completamente ciegos a todo alrededor de ese punto», señala Kosec.
En 2020, él y sus colegas se dieron cuenta de que un sistema binario podría ofrecer una visión más amplia de los vientos del disco. Hercules X-1 se ha destacado entre la mayoría de las binarias de rayos X conocidas por su disco de acreción deformado, que se tambalea a medida que gira alrededor de la estrella de neutrones central del sistema.
«El disco realmente se tambalea con el tiempo cada 35 días, y los vientos se originan en algún lugar del disco y cruzan nuestra línea de visión a diferentes alturas sobre el disco con el tiempo», explica Kosec. «Esa es una propiedad única de este sistema que nos permite comprender mejor sus propiedades de viento vertical».
Un bamboleo deformado
En el nuevo estudio, los investigadores observaron Hércules X-1 utilizando dos telescopios de rayos X: el XMM Newton de la Agencia Espacial Europea y el Observatorio Chandra de la NASA.
«Lo que medimos es un espectro de rayos X, lo que significa la cantidad de fotones de rayos X que llegan a nuestros detectores, en comparación con su energía. Medimos las líneas de absorción o la falta de luz de rayos X en energías muy específicas». dice Kosec. «A partir de la proporción de cuán fuertes son las diferentes líneas, podemos determinar la temperatura, la velocidad y la cantidad de plasma dentro del viento del disco».
Con el disco alabeado de Hercules X-1, los astrónomos pudieron ver la línea del disco moviéndose hacia arriba y hacia abajo mientras se tambaleaba y giraba, de manera similar a la forma en que un disco alabeado parece oscilar cuando se ve de lado. El efecto fue tal que los investigadores pudieron observar signos de vientos del disco a alturas cambiantes con respecto al disco, en lugar de a una sola altura fija sobre un disco que gira uniformemente.
Al medir las emisiones de rayos X y las líneas de absorción a medida que el disco se tambaleaba y giraba con el tiempo, los investigadores pudieron escanear propiedades como la temperatura y la densidad de los vientos a varias alturas con respecto a su disco y construir un mapa bidimensional de la dirección del viento. estructura verticales.
“Lo que vemos es que el viento se eleva desde el disco, en un ángulo de unos 12 grados con respecto al disco a medida que se expande en el espacio”, dice Kosec. «También se está volviendo más frío y grumoso, y más débil a mayores alturas sobre el disco».
El equipo planea comparar sus observaciones con simulaciones teóricas de varios mecanismos de lanzamiento de viento, para ver cuál podría explicar mejor los orígenes del viento. Más allá, esperan descubrir más sistemas deformados y tambaleantes, y mapear sus estructuras de viento de disco. Entonces, los científicos podrían tener una visión más amplia de los vientos del disco y cómo tales flujos de salida influyen en su entorno, particularmente a escalas mucho mayores.
«¿Cómo afectan los agujeros negros supermasivos a la forma y estructura de las galaxias?» plantea Erin Kara, profesora asistente de desarrollo profesional de física de la promoción de 1958 en el MIT. «Una de las principales hipótesis es que los vientos de disco, lanzados desde un agujero negro, pueden afectar la apariencia de las galaxias. Ahora podemos obtener una imagen más detallada de cómo se lanzan estos vientos y cómo se ven».
Esta investigación fue apoyada en parte por la NASA.
