Astronomía de rayos X en el laboratorio: cómo reproducir las condiciones del disco de acreción de un agujero negro.

Un grupo de investigadores, encabezados por Shinsuke Fujioka de la Universidad de Osaka (Japón), ha creado en el laboratorio unas condiciones análogas a las que se encuentran en el disco de acreción de un agujero negro. Sus resultados se publican en Nature Physics.

Los astrónomos no pueden observar loa agujeros negros directamente porque su enorme gravedad impide que la luz escape de ellos (por eso son negros). El equipo de investigadores se ha centrado en lo que sí pueden ver, a saber, la nube de materia arremolinada que los rodea, el llamado disco de acreción. Cuando estos discos se ven triturados y calentados por la energía gravitacional del agujero negro brillan en rayos X. Analizando los espectros de estos rayos X se puede descubrir qué puede estar ocurriendo en las proximidades del agujero negro.

Sin embargo, no se sabe con precisión cuánta energía es necesaria para producir estos rayos X. Parte de la dificultad estriba en un proceso llamado fotoionización, por el que los fotones de rayos X, muy energéticos, arrancan electrones de los átomos del disco de acreción. La fotoionización supone una pérdida de energía de los rayos X que altera las características de sus espectros, lo que dificulta la medición precisa de la energía total que se está emitiendo.

Para tener una apreciación mejor de cuánta energía consumen estos átomos fotoionizados, el equipo de Fujioka ha recreado las condiciones del disco de acreción en la región más próxima al agujero negro. Para ello volatilizaron una bolita de plástico con la ayuda de 12 láseres, disparados simultáneamente, con una potencia de 0,3 TW (3·10¹¹ vatios). Una parte de la radiación resultante (la que pasaba a través de una rendija) incidía sobre una cantidad de silicio, elemento muy común en los discos de acreción.

Lo que ocurre en el experimento es que, al incidir los láseres simultáneamente con tanta potencia, hacen que la bolita de plástico implosione, creando una masa gaseosa caliente, densa y fuertemente ionizada, lo que conocemos como plasma. Lo que era la bolita de plástico se ha convertido ahora en una poderosa fuente de emisión de rayos X parecida a la de un disco de acreción de un agujero negro. Estos rayos X fotoionizan el silicio, y la radiación resultante debería ser parecida a la detectada en la observación astronómica de los discos de acreción.

Efectivamente, la radiación obtenida en los experimentos es parecida a la medida procedente de Cygnus X-3 y Vela X-1. Cygnus X-3 es un sistema binario, constituido por un agujero negro y una estrella convencional de alta masa [en la imagen representación de un sistema de este tipo, cortesía de Dana Berry – CfA/NASA, con la zona emisora de rayos X representada como el anillo central amarillo en el disco de acreción, en rojo]. Por su parte Vela X-1 es otro sistema binario pero esta vez constituido por un púlsar y una estrella convencional masiva.

Con este método, midiendo la energía perdida por la fotoionización, los investigadores podrían medir la energía total emitida en la implosión y usarla para mejorar nuestra comprensión del comportamiento de los rayos X emitidos por los discos de acreción y, en general, del comportamiento de la materia y la energía en condiciones extremas.

Referencias:

Fujioka, S., Takabe, H., Yamamoto, N., Salzmann, D., Wang, F., Nishimura, H., Li, Y., Dong, Q., Wang, S., Zhang, Y., Rhee, Y., Lee, Y., Han, J., Tanabe, M., Fujiwara, T., Nakabayashi, Y., Zhao, G., Zhang, J., & Mima, K. (2009). X-ray astronomy in the laboratory with a miniature compact object produced by laser-driven implosion Nature Physics DOI: 10.1038/nphys1402