La perspectiva juega un papel fundamental en la detección de fuentes cósmicas de rayos X

Conocidos como fuentes de rayos X ultraluminosas, los emisores son fáciles de detectar cuando se ven de frente, pero si apuntan ligeramente desviados de la Tierra, no se pueden detectar desde nuestro campo de visión.

Es difícil pasar por alto el rayo de una linterna que te apunta directamente. Pero ese rayo visto de lado, parece significativamente más tenue. Es lo que ocurre con algunos objetos cósmicos: al igual que una linterna, irradian principalmente en una dirección y se ven totalmente diferentes dependiendo de si el haz apunta lejos de la Tierra (y de los telescopios espaciales cercanos) o directamente hacia ella.

Los nuevos datos del observatorio espacial NuSTAR de la NASA indican que este fenómeno es cierto para algunos de los emisores de rayos X más destacados del universo local como son las fuentes de rayos X ultraluminosos o ULX. La mayoría de los objetos cósmicos, incluidas las estrellas, irradian poca luz en rayos X, particularmente en el rango de alta energía observado por NuSTAR. Las ULX, por el contrario, son como faros de rayos X que atraviesan la oscuridad. Para ser considerada ULX, una fuente debe tener una luminosidad de rayos X que sea aproximadamente un millón de veces más brillante que la salida de luz total del Sol (en todas las longitudes de onda). Las ULX son tan brillantes que se pueden ver a millones de años luz de distancia, en otras galaxias.

El nuevo estudio muestra que el objeto conocido como SS 433, ubicado en nuestra galaxia, la  Vía Láctea y a solo unos 20.000 años luz de la Tierra, es una ULX, aunque parece ser unas 1.000 veces más tenue que el umbral mínimo para formar parte de esta categoría.

Esta debilidad es consecuencia de la perspectiva, según el estudio: los rayos X de alta energía de SS 433 están inicialmente confinados dentro de dos conos de gas que se extienden hacia afuera desde lados opuestos del objeto central. Estos conos son similares a un cuenco espejado que rodea la bombilla de una linterna: acorralan la luz de rayos X de SS 433 en un haz estrecho, hasta que escapa y es detectado por NuSTAR. Pero debido a que los conos no apuntan directamente a la Tierra, NuSTAR no puede ver el brillo total del objeto.

Esta ilustración muestra SS 433, un agujero negro o estrella de neutrones, mientras extrae material de su estrella compañera. El material estelar forma un disco alrededor de SS 433, y parte del material se expulsa al espacio en forma de dos chorros delgados (rosa) que viajan en direcciones opuestas alejándose de SS 433.
Créditos: DESY/Science Communication Lab.

“Durante mucho tiempo sospechábamos que algunas ULX emitían luz en columnas estrechas, en lugar de en todas direcciones como una bombilla desnuda”, dijo Matt Middleton, profesor de astrofísica en la Universidad de Southampton en el Reino Unido y autor principal del estudio. “En nuestro estudio, confirmamos esta hipótesis al mostrar que SS 433 se calificaría como una ULX para un observador cara a cara”.

Si una ULX relativamente cerca de la Tierra puede ocultar su verdadero brillo debido a cómo está orientado, entonces es probable que haya más ULX, particularmente en otras galaxias, desapercibidas de manera similar. Eso significa que la población total de ULX debería ser mucho mayor de las que los científicos observan actualmente.

Cono de oscuridad

Se han encontrado alrededor de 500 ULX en otras galaxias, y debido a su distancia de la Tierra es casi imposible saber qué tipo de objeto genera la emisión de rayos X. Es probable que los rayos X provengan de una gran cantidad de gas que se calienta a temperaturas extremas cuando es atraído por la gravedad de un objeto muy denso. Ese objeto podría ser una estrella de neutrones (los restos de una estrella colapsada) o un pequeño agujero negro, uno que no tenga más de 30 veces la masa del Sol. El gas forma un disco alrededor del objeto, como agua rodeando un desagüe. La fricción en el disco aumenta la temperatura, lo que hace que se irradie, a veces tan caliente que el sistema estalla con rayos X. Cuanto más rápido cae el material sobre el objeto central, más brillantes son los rayos X.

Los astrónomos sospechan que el objeto en el núcleo de SS 433 es un agujero negro de aproximadamente 10 veces la masa de nuestro Sol. Lo que se sabe con certeza es que está canibalizando una gran estrella cercana, su gravedad extrae material a un ritmo rápido: en un solo año, SS 433 absorbe de su vecino el equivalente a 30 veces la masa de la Tierra, lo que lo convierte en el agujero negro o estrella de neutrones más codicioso que conozcamos en nuestra galaxia.

“Se sabe desde hace mucho tiempo que este ente está comiendo a un ritmo fenomenal”, dijo Middleton. “Esto es lo que distingue a las ULX de otros objetos, y es probable que sea la causa principal de la gran cantidad de rayos X que vemos en ellos”.

El objeto en SS 433 está capturando más material del que puede consumir. Parte del material sobrante se expulsa del disco y forma dos hemisferios en lados opuestos del disco. Dentro de cada uno hay un vacío en forma de cono que se abre al espacio. Estos son los conos que acorralan la luz de rayos X de alta energía en un rayo. Cualquiera que mire directamente hacia uno de los conos verá obviamente una ULX. Aunque están compuestos únicamente de gas, los conos son tan gruesos y masivos que actúan como paneles de plomo en una sala de proyección de rayos X y evitan que los rayos X los atraviesen por los lados.

El objeto cósmico SS 433 contiene una fuente brillante de luz de rayos X rodeada por dos hemisferios de gas caliente. El gas acorrala la luz en haces que apuntan en direcciones opuestas hacia afuera de la fuente. SS 433 se inclina periódicamente, lo que hace que un haz de rayos X, en momentos determinados, apunte hacia la Tierra.
Créditos: NASA/JPL-Caltech.

Los científicos han sospechado que algunas ULX podrían estar ocultas a la vista por esta razón. SS 433 brindó una oportunidad única para probar esta idea ya que, como lo haría una peonza, se tambalea sobre su eje, movimiento al que los astrónomos llaman precesión.

La mayoría de las veces, ambos conos de SS 433 apuntan muy lejos de la Tierra. Pero según- SS 433 avanza, un cono se inclina ligeramente hacia la Tierra periódicamente, por lo que los científicos pueden ver un poco de luz de rayos X que sale de la parte superior del cono. En el nuevo estudio, los científicos observaron cómo cambian los rayos X detectados por NuSTAR a medida que se mueve SS 433. Muestran que si el cono continuara inclinándose hacia la Tierra, se vería suficiente luz de rayos X para llamar oficialmente UXL a SS 433.

Los agujeros negros que se alimentan a velocidades extremas han dado forma a la historia de nuestro universo. Los agujeros negros supermasivos, que tienen de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, pueden afectar profundamente a su galaxia anfitriona. Al principio de la historia del universo, algunos de estos enormes agujeros negros pudieron haberse alimentado tan rápido como SS 433, liberando enormes cantidades de radiación que remodelaron los entornos locales. Los flujos de salida (como los conos en SS 433) redistribuyeron la materia que podría formar estrellas y otros objetos.

Pero debido a las enormes distancias a las que se encuentran, en otras galaxias, donde residen estos gigantes de rápido consumo (la que está en el corazón de la Vía Láctea no es tan voraz actualmente), siguen siendo difíciles de estudiar. Con SS 433, los científicos han encontrado un ejemplo en miniatura de este proceso, mucho más cercano a casa y mucho más fácil de estudiar, y NuSTAR ha proporcionado nuevos conocimientos sobre la actividad que ocurre allí.

Ilustración de la nave espacial NuSTAR, que tiene un mástil de 10 metros que separa los módulos ópticos (derecha) de los detectores en el plano focal (izquierda). Esta separación es necesaria para permitir el método utilizado para detectar rayos X.
Créditos: NASA/JPL-Caltech.

“Cuando lanzamos NuSTAR, no creo que nadie esperara que las ULX fueran un ámbito de investigación tan rica para nosotros”, dijo Fiona Harrison, investigadora principal de NuSTAR y profesora de física en Caltech, en Pasadena, California. “Pero NuSTAR es único en el sentido de que puede ver casi todo el rango de longitudes de onda de rayos X emitidas por estos objetos, y eso nos da una idea de los procesos extremos que deben impulsarlos”.

Edición: R. Castro.