The X-ray is her siren song, my ship cannot resist her long
Nearer to my deadly goal, until the black hole gains control
Spinning, whirling, still descending, like a spiral sea, unending!
Rush, Cygnus X-1 Book I: The voyage (A Farewell to Kings)
En la década de 1960, coincidente con el descubrimiento de los pulsars, se descubrieron fuentes de rayos X en el cielo. Su ubicación, cercana al plano de la Vía Láctea, sugería que se trataba de objetos en nuestra galaxia. En algunos casos, los rayos X coincidían con una fuente de luz visible que, invariablemente, era un sistema estelar binario. Los astrofísicos sabían que, en un sistema binario, cuando una de las estrellas se convierte en gigante roja, era posible que su superficie llenara el llamado lóbulo de Roche, donde la gravedad de la compañera le gana a la estrella principal, y empieza a transferirse materia de una estrella a la otra a través del punto de Lagrange L1:
Un cálculo sencillo (ver Astrofísica para físicos curiosos, Sección 6.5) permite mostrar que, si la segunda estrella es un objeto compacto (como una estrella de neutrones), la energía gravitatoria que se convierte en energía cinética durante la caída es inmensa, pudiendo alcanzar una fracción significativa de \(mc^2\). El material que cae no lo hace exactamente de manera radial, sino un poquito de costado, y se forma un disco orbital, llamado disco de acreción. El gas en el disco se mueve en órbitas aproximadamante keplerianas, de manera que, como en el sistema solar, las que se encuentran más cerca del centro se mueven más rápido que las de más afuera. Esto produce un arrastre viscoso entre órbitas contiguas, que hace que se pierda energía en forma de radiación. El cálculo predice una luminosidad enorme, mucho mayor que la del Sol, y una temperatura también mayor, de decenas de millones de grados. Todo esto sin reacciones nucleares, simplemente por conversión de energía gravitatoria en radiación. La ley de Planck sugiere que el máximo de energía se emite en la longitud de onda de 1 nm (un nanómetro). Correspondiente, precisamente, a los rayos X.
Como se trata de sistemas binarios, se puede calcular la masa de la estrella y su compañera compacta. Casi todas ellas resultan de alrededor de una masa solar, o un poquito más, lo cual es compatible con las estrellas de neutrones. Pero algunas tienen más de 3 masas solares. La más estudiada de estas es Cygnus X-1, con 15 masas solares. Estos objetos no pueden ser estrellas de neutrones, ya que la presión de degeneración de los neutrones es insuficiente para equilibrar la fuerza gravitatoria. Y no conocemos ninguna otra fuerza capaz de hacerlo, así que estos objetos necesariamente deben ser agujeros negros: una región del espacio-tiempo tan compacta que la gravedad impide el escape de absolutamente todo, materia o radiación. Naturalmente, no se los puede ver directamente. Pero siguen ejerciendo su efecto gravitacional, y en sistemas binarios se convierten en intensas fuentes de radiación, por el mecanismo que acabamos de describir. Se trata de agujeros negros demasiado pequeños como para observar directamente su efecto en la luz que los circunda, como se ha logrado hacer con los agujeros negros supermasivos en el centro de la Vía Láctea y de la galaxia M87.
La dinámica de los discos de acreción es muy complicada: se trata de un fluido magnético muy energético, de manera que su descripción requiere una de las ramas más complicadas de la física, la magnetohidrodinámica relativista. Uno de los fenómenos característicos es la formación de dos chorros (jets) de materia que surgen de la región más interior del disco, y que se llevan parte de la energía. ¿Cuánta? Un diego, pero es difícil de calcular, y también de medir. Recientemente, un equipo de radioastrónomos han logrado medirlo mediante la observación directa del chorro. Como muestra la ilustración que puse arriba, el viento estelar de la estrella normal empuja el doble chorro, curvándolo. A medida que el sistema gira, se debería ver el chorro bailando alrededor de la fuente central. Esto es precisamente lo que lograron ver unos radioastrónomos (principalmente australianos), usando dos grandes sistemas de radiotelescopios que observan de manera coordinada desde miles de kilómetros de distancia, usando 18 años de mediciones:
Es una rotación sutil, pero permite calcular la liberación instantánea de energía, en lugar de promedios temporales, y mejorar los modelos de cómo funcionan los jets, ya sea estos o los gigantescos de las galaxias activas y los quasars.
Los jets de los agujeros negros supermasivos jugaron un rol importante en la conformación del universo temprano: en el crecimiento de las galaxias, en la formación de las primeras estrellas, en la reionización del medio intergaláctico, de manera que este tipo de técnicas terminarán conectando la física de estos sistemas binarios con la evolución del universo.
El paper es: Prabu et al., A jet bent by a stellar wind in the black hole X-ray binary Cygnus X-1, Nature Astronomy (2025).
Los dos sistemas de radiotelescopios que usaron son el Very Long Baseline Array (VLBA) y la European Very Long Baseline Interferometry Network (EVN).
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