Nuevo descubrimiento con el GTC

Un equipo internacional de investigadores publica en Nature el hallazgo del microcuásar M81 ULS-1, una fuente ultraluminosa en la galaxia espiral M81, a partir de datos obtenidos con los telescopios Keck, en 2010, y el Gran Telescopio Canarias (GTC), en 2015.

Los microcuásares son estrellas binarias compactas -una estrella normal muy masiva y un objeto compacto- que tienen un disco de acreción alrededor del objeto compacto y una emisión variable e intensa en radio, normalmente en forma de "jets" bipolares (chorros de materia simétricos y opuestos).

Lo singular del microcuásar descubierto es que la velocidad de la materia emitida en los jets es cercana a la velocidad de la luz, lo que se conoce como chorros relativistas. M81 ULS-1 es el segundo microcuásar descubierto en el que se ha detectado este tipo de jets. En el estudio se intenta determinar si el objeto compacto de M81 ULS-1 es una enana blanca o un agujero negro de masa intermedia.

La primera fuente de características similares, llamada SS433, se halló en 1979 en el interior de la Vía Láctea. Se determinó que se trataba de una binaria de rayos X con un período de trece días: una estrella muy masiva transfiere materia a un agujero negro, del cual parten chorros formados por hidrógeno en direcciones opuestas a casi un tercio de la velocidad de la luz, en un patrón que se repite cada seis meses.

Desde entonces, los astrofísicos han buscado fuentes similares. El objeto de M81 podría ser un segundo SS433, de ahí el interés de este hallazgo. Es factible definir el tipo de objeto compacto a partir de la velocidad de escape. En el caso de M81 ULS-1, la velocidad encontrada, un 17% de la velocidad de la luz, indica que podría tratarse de un agujero negro. Si fuera así, sería un desafío porque el resto de sus características lo acercan a los sistemas de enanas blancas que vemos en la Vía Láctea, sobre todo un espectro de rayos X sorprendentemente blando (su emisión en rayos X es más intensa en el rango de los rayos X blandos, es decir, los de mayor longitud de onda o menor frecuencia). Sin embargo, tampoco puede ser una enana blanca, ya que éstas sólo pueden generar chorros a velocidades diez veces inferiores a las encontradas en M81 ULS-1. Y no entraría en la categoría de agujero negro de masa intermedia porque su espectro de rayos X superblandos indica un estado térmico en el que no podría producir los chorros detectados.

El primer autor del artículo, Ji-Feng Liu, astrónomo del National Astronomical Observatory of China y profesor de la University of Chinese Academy of Sciences, explica que "las observaciones de este microcuásar -luminosidad elevada, chorros relativistas bariónicos hasta un 30% de la velocidad de la luz, y rayos X superblandos- apuntan a que podría tratarse de un agujero negro acretando materia a un ritmo superior a un límite crítico" [hay un límite de la tasa de acreción, el límite de Eddington]. Liu añade que "este tipo de agujeros negros se `disfrazan como fuentes superblandas de rayos X que normalmente se consideran enanas blancas" y que "el descubrimiento muestra observacionalmente lo que ocurre si un agujero negro devora demasiado".

En el artículo se propone que se trata de un agujero negro de masa estelar con emisión de chorros relativistas: un microcuásar, pero uno "especial", puesto que el resto de microcuásares conocidos presentan espectros de rayos X duros, y no superblandos como el suyo (por debajo de mil electronvoltios se trata de rayos X blandos, por encima son rayos X duros); acretan por debajo del límite de Eddington y sus chorros son altamente relativistas, no bariónicos. Dicho de otro modo, los científicos apuestan por un agujero negro con acreción supercrítica (superior al límite de Eddington). La posible existencia de este tipo de agujero negro "superacretante" ha sido fuente de especulación e investigación durante años.

Para llegar a estas conclusiones fue determinante la identificación de una línea "misteriosa" en el espectro de M81 ULS-1, que tuvo preocupados a los investigadores desde 2010 a 2015. Fue gracias a las nuevas observaciones con el Gran Telescopio CANARIAS (GTC) que se definió como una línea de hidrógeno, la línea H-alfa desplazada hacia el azul. Estas observaciones se hicieron con tiempo de director, un programa de tiempo de observación del GTC que permite incorporar, en el último momento, investigaciones que un grupo de expertos consideran de gran interés. El paper de Nature se suma a los más de doscientos artículos publicados con datos obtenidos con este telescopio, situado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM), en la isla de La Palma.

Referencia

Relativistic baryonic jets from an ultraluminous supersoft X-ray source
Ji-Feng Liu1,2, Yu Bai1, Song Wang1, Stephen Justham1,2, You-Jun Lu1,2, Wei-Min Gu3, Qing-Zhong Liu4, Rosanne Di Stefano5, Jin-Cheng Guo1, Antonio Cabrera-Lavers6,7, Pedro Álvarez6,7, Yi Cao8 & Shri Kulkarni8

Información adicional

M81, donde se encuentra la fuente ultraluminosa M81 ULS-1, es una galaxia espiral cercana a la Vía Láctea, a unos 13 millones de años luz de nosotros, y es de magnitud siete, lo bastante brillante para poder ser observada con prismáticos.

En los objetos compactos, de pequeño tamaño e importante masa (estrellas de neutrones y agujeros negros) cuanta más materia fagocitan más energía liberan. Esto es cierto únicamente hasta que se llega al límite de Eddington, en el cual la presión de la radiación detiene la acreción. Este límite depende únicamente de la masa del objeto, y determina cuán brillante puede ser. Si se desea que el objeto sea más luminoso, tiene que ser mayor. Por ello, este tipo de radiación como la detectada en M81 ULS-1 se asocia con agujeros negros de diez o veinte masas solares.

Una enana blanca es mucho mayor que una estrella de neutrones o que el horizonte de eventos de un agujero negro. Su tamaño es aproximadamente el de la Tierra, unos 10 000 km. En el caso de que una enana blanca acrete de una estrella compañera, el material, hidrógeno y helio, se acumula en su superficie. Y si la temperatura y la densidad son lo bastante grandes, tiene lugar la fusión nuclear: una enorme explosión de nova, una bomba en la superficie de la enana blanca. En el Sol, la fusión nuclear tienen lugar en el centro. En las enanas blancas, en las condiciones adecuadas, tiene lugar en la superficie si, y solo si, suficiente material es transferido del donante de modo que "encienda" un proceso nuclear estable en su superficie. Este proceso explica la luminosidad que se detecta en algunos casos.

Existen varias fuentes luminosas superblandas en la Vía Láctea y en las nubes de Magallanes, dos galaxias satélites de la nuestra. En un principio no se consideró la posibilidad de que pudieran ser enanas blancas porque el tipo de luminosidad correspondía más a una estrella de neutrones o a un agujero negro. Sin embargo, su estudio reveló unas propiedades inhabituales. Actualmente se piensa que probablemente sean enanas blancas acretando.

M81 ULS-1 fue clasificada como una fuente superblanda, con una luminosidad sólo ligeramente superior a la encontrada en las nubes de Magallanes. Lo sorprendente era que en el espectro hubiera "líneas en movimiento", que indican la presencia de chorros relativistas a velocidades inalcanzables para una enana blanca. Dicho de otro modo, actualmente no se cree que una enana blanca pueda acelerar los chorros a estas velocidades. En el artículo publicado en Nature se destaca que estas velocidades serían las que se esperarían si se tratara de un agujero negro. Al final del artículo se sugiere que un agujero negro acretando a un ritmo lo suficientemente elevado podría tener este tipo de espectro. Es una especulación porque nunca se ha visto algo parecido. De ahí que se trate de un sistema muy interesante.

No sólo se ha hallado el segundo SS433, sino que presenta este inhabitual estado de rayos X superblando, que solía ser atribuido a enanas blancas.