La acreción de materia en un agujero negro es uno de los procesos más energéticos en el Universo, con frecuencia asociado con fuerte eyecciones de masa.  ¿Cómo es expulsada la materia de un agujero negro y de qué modo las observaciones en alta resolución temporal pueden ayudarnos a conocer este mecanismo?

La materia, que está en forma de gas muy caliente, no cae directamente en el agujero negro sino que desciende lentamente en espiral formando un disco de acrecimiento. Este gas está altamente magnetizado. El campo magnético es lo bastante fuerte para influir en la trayectoria de las partículas de gas, las cuales tienden a fluir a lo largo de las líneas de campo magnético. En algunos casos, parte de este gas puede ser expulsado a velocidades cercanas a la de la luz.

Los físicos teóricos han mostrado que el campo magnético puede ayudar a extraer la energía de rotación del agujero negro y liberarla en forma de chorros muy energéticos. Sin embargo, se desconocen todavía los detalles de la formación de eyecciones. Las propiedades de los discos de acreción y eyecciones cambian con el tiempo y producen rápidas variaciones en la luminosidad, que revelan la íntima conexión existente entre los procesos de acreción y eyección. Todo ocurre muy velozmente en las cercanías de un agujero negro o de una estrella de neutrones. Por ejemplo, sólo se requieren unos miles de segundos para que el gas acretando efectúe una órbita cercana alrededor de un agujero negro estelar. La eyección tiene lugar muy cerca del agujero negro en escalas de tiempo que sólo pueden ser investigadas mediante observaciones en alta resolución temporal (< 1s).  

¿Cuáles son los mecanismos de radiación principales que ocurren alrededor o en las cercanías de un objeto compacto que acreta, como un agujero negro o una estrella de neutrones, y por qué tienen lugar?

Los objetos compactos emiten radiación en todo el espectro electromagnético: de ondas radio hasta rayos gamma. Esta radiación puede ser emitida como radiación térmica (por ejemplo, emisión de cuerpo negro relacionada con la temperatura del objeto) o en procesos no térmicos como el Sincrotón o el Compton Inverso. La radiación sincrotrón es producida por partículas cargadas muy energéticas girando en torno a las líneas de campo magnético. Partículas relativistas aceleradas por choques en el chorro producirán emisión sincrotrón mayoritariamente en el radio, sub-mm y en bandas infrarrojas.

Un proceso similar, llamado sincro-curvatura, está relacionado con la propagación de las partículas a lo largo de líneas de campo muy curvadas. Puede ser importante en la magnetosfera de estrellas de neutrones. Un disco de acreción puede ser muy caliente y contener electrones a una temperatura de hasta mil millones de grados kelvin. También contiene muchos fotones de baja energía producidos por radiación sincrotrón o que vienen de regiones más frías. Estos fotones colisionan con los electrones calientes y en cada interacción ganan energía. El proceso es llamado Compton Inverso, o comptomización si el fotón interacciona varias veces antes de escapar del gas caliente. Lleva a la producción de radiación en rayos X duros. El Compton Inverso de partículas relativistas en los chorros puede producir también rayos gamma.

¿Qué se puede aprender de su estudio?

Entender los procesos radiativos permite extraer información que está codificada en la radiación que recibimos de estos objetos.  Hace posible medir muchos parámetros físicos del sistema, como temperaturas, velocidades, campos magnéticos, la energía de las partículas aceleradas y su distribución. También ayuda a determinar el tamaño y la geometría de las regiones de emisión y validar las predicciones de los modelos teóricos. Observando simultáneamente en distintas bandas aprendemos sobre la evolución conjunta de los variados componentes de los sistemas (por ejemplo, flujo de acreción y chorros).

Desde un punto de vista teórico, ¿por qué es la alta resolución temporal en astrofísica (HTRA) importante? ¿Qué física puede mostrar?

La física de los objetos compactos implica campos gravitatorios fuertes,  enormes campos magnéticos, materia comprimida a grandes densidades, partículas de muy altas energías… Estas condiciones tan extremas no pueden ser creadas en un laboratorio terrestre. En muchos caso, las observaciones de estos objetos en alta resolución temporal son una oportunidad única para validar teorías fundamentales sobre las interacciones de partículas, las propiedades de la materia densa o de la gravitación. Por añadidura, la interpretación de la variabilidad observada en alta resolución temporal requiere el desarrollo de modelos físicos que describan los procesos dinámicos complejos que ocurren en estos entornos extremos, ya sea matemáticamente o con simulaciones numéricas.

Annia Domènech