Los rayos X polarizados revelan la forma y la dirección de la materia sobrecalentada cerca de un agujero negro

Las recientes observaciones de los investigadores de un agujero negro llamado Cygnus X-1 revelan nuevos detalles sobre la composición de la materia caliente en la región.

Las primeras observaciones de un agujero negro que acumula masa de la misión Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE) revelan nuevos detalles sobre la composición de la materia sobrecalentada en el entorno inmediato. Los investigadores están utilizando mediciones de polarización de rayos X para probar y refinar modelos que describen cómo los agujeros negros tragan materia, convirtiéndose en algunas de las fuentes de luz de rayos X más brillantes del universo.

La materia se calienta a millones de grados a medida que es atraída hacia el agujero negro. Esta sustancia caliente brilla en los rayos X. Los investigadores utilizan mediciones de estas polarizaciones de rayos X para probar y refinar modelos que describen cómo los agujeros negros tragan materia, convirtiéndose en algunas de las fuentes de luz más brillantes, incluidos los rayos X, en el universo.

Las nuevas mediciones de Cygnus X-1, publicadas en línea en Science el jueves 3 de noviembre, representan las primeras observaciones de un agujero negro en acreción de la misión Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), una colaboración internacional entre NASA y la Agencia Espacial Italiana (ASI). Cygnus X-1 es una de las fuentes de rayos X más brillantes de nuestra galaxia y consta de 21 agujeros negros de masa solar en órbita con una estrella compañera de 41 masas solares.

autor principal Henric Krawczynski, Profesor Wyman Crowe de Física en Artes y Ciencias en Washington University en St. Louis y miembro del Centro de Ciencias Espaciales McDonnell de la universidad. «IXPE también mide su polarización lineal, que transmite información sobre cómo se emiten los rayos X, y si el material cerca del agujero negro se dispersa y dónde se dispersa».

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Ninguna luz, ni siquiera la luz de rayos X, puede escapar del interior del horizonte de sucesos de un agujero negro. Los rayos X detectados por IXPE son emitidos por materia caliente, o plasma, en una región de 2.000 km de diámetro que rodea el horizonte de sucesos del agujero negro de 60 km de diámetro.

La combinación de datos de IXPE con observaciones simultáneas del Observatorio de rayos X NICER y NuSTAR de la NASA en mayo y junio de 2022 permitió a los autores restringir la geometría, es decir, la forma y la ubicación, del plasma.

Los investigadores encontraron que el plasma se extiende perpendicular al flujo de dos lados de un plasma en forma de lápiz, o chorro, representado en observaciones de radio anteriores. La alineación de la dirección de la polarización de rayos X y el chorro proporciona un fuerte apoyo a la hipótesis de que los procesos en la región brillante de rayos X cerca del agujero negro juegan un papel fundamental en el lanzamiento del chorro.

Las observaciones coinciden con los modelos que predicen que el halo de plasma caliente empuja el disco ascendente de materia hacia el agujero negro o reemplaza el interior de ese disco. Los nuevos datos de polarización excluyen los modelos en los que el halo del agujero negro es una columna o cono de plasma estrecho a lo largo del eje de flujo.

Los científicos señalan que una mejor comprensión de la geometría del plasma alrededor de un agujero negro puede revelar mucho sobre el funcionamiento interno de un agujero negro. agujeros negros ¿Cómo se acumula la masa?

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«Estos nuevos conocimientos permitirán mejores estudios de rayos X de cómo la gravedad dobla el espacio y el tiempo cerca de los agujeros negros», dijo Krawczynski.

Con respecto al agujero negro Cygnus X-1 específicamente, el coautor Michal Dovciak del Instituto Astronómico de la Academia Checa de Ciencias explicó que «las observaciones de IXPE revelan que el flujo de acreción se ve con mayor nitidez de lo que se pensaba».

«Esto podría ser una señal de desalineación del plano ecuatorial del agujero negro y el plano orbital binario», o la pareja Sobre el agujero negro y su estrella compañera, explicó la coautora Alexandra Vildina de la Universidad de Turku. «El sistema pudo haber adquirido esta desalineación cuando explotó la estrella del agujero negro».

«La misión IXPE utiliza espejos de rayos X fabricados en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA y dispositivos de plano focal proporcionados por la colaboración ASI, el Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) y el Instituto Nacional de Física Nuclear», dijo el coautor Fabio Mullieri. . Del INAF-IAPS. «Más allá de Cygnus X-1, IXPE se está utilizando para estudiar una amplia gama de fuentes extremas de rayos X, incluidas estrellas de acreción de neutrones, púlsares, nebulosas de viento púlsar, remanentes de supernova, centro galáctico y núcleo galáctico activo. Hemos encontrado tantos sorpresas, y nos estamos divirtiendo mucho».

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