viernes, 19 de julio del 2019 Fecha
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Las estructuras fundamentales de la Naturaleza

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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                                                                    Una molécula de Agua y otra de Amoníaco

Hemos llegado a poder discernir la relación directa que vincula el tamaño, la energía de unión y la edad de las estructuras fundamentales de la Naturaleza. Una molécula es mayor y más fácil de desmembrar que un átomo; lo mismo podemos decir de un átomo respecto al núcleo atómico, y de un núcleo con respecto a los quarks que contiene.

La cosmología  sugiere que esta relación resulta del curso de la historia cósmica, que los quarks se unieron primero, en la energía extrema del big bang original, y que a medida que el Universo se expandió, los protones y neutrones compuestos de quarks se unieron para formar núcleos de átomos, los cuales, cargados positivamente, atrajeron a los electrones cargados con electricidad negativa estableciéndose así como átomos completos, que al unirse formaron moléculas.

Si es así, cuanto más íntimamente examinemos la Naturaleza, tanto más lejos hacia atrás vamos en el tiempo.   Alguna vez he puesto el ejemplo de mirar algo que nos es familiar, el dorso de la mano, por ejemplo, e imaginemos que podemos observarlo con cualquier aumento deseado.

Con un aumento relativamente pequeño, podemos ver las células de la piel, cada una con un aspecto tan grande y  complejo como una ciudad, y con sus límites delineados por la pared celular.  Si elevamos el aumento, veremos dentro de la célula una maraña de ribosomas serpenteando y mitocondrias ondulantes, lisosomas esféricos y centríolos, cuyos alrededores están llenos de complejos órganos dedicados a las funciones respiratorias, sanitarias y de producción de energía que mantienen a la célula.

http://www.nfcol.net/NEUROCOL_files/celula.jpg

Ya ahí tenemos pruebas de historia.  Aunque esta célula particular solo tiene unos pocos años de antigüedad, su arquitectura se remonta a más de mil millones de años, a la época en que aparecieron en la Tierra las células eucariota o eucarióticas como la que hemos examinado.

Para determinar dónde obtuvo la célula el esquema que le indicó como formarse, pasemos al núcleo y contemplemos los delgados contornos de las macromoléculas de ADN segregadas dentro de sus genes.  Cada una contiene una rica información genética acumulada en el curso de unos cuatro mil millones de años de evolución.

Almacenado en un alfabeto de nucleótidos de  cuatro “letras”- hecho de moléculas de azúcar y fosfatos, y llenos de signos de puntuación, reiteraciones para precaver contra el error, y cosas superfluas acumuladas en los callejones sin salida de la historia evolutiva-, su mensaje dice exactamente cómo hacer un ser humano, desde la piel y los huesos hasta las células cerebrales.

Si elevamos más el aumento veremos que la molécula de ADN está compuesta de muchos átomos, con sus capas electrónicas externas entrelazadas y festoneadas en una milagrosa variedad de formas, desde relojes de arena hasta espirales ascendentes como largos muelles y elipses grandes como escudos y fibras delgadas como puros.  Algunos de esos electrones son recién llegados, recientemente arrancados átomos vecinos; otros se incorporaron junto a sus núcleos atómicos hace más de cinco mil millones de años, en la nebulosa de la cual se formó la Tierra.

Si elevamos el aumento cien mil veces, el núcleo de un átomo de carbono se hinchará hasta llenar el campo de visión.   Tales núcleos átomos se formaron dentro de una estrella que estalló mucho antes de que naciera el Sol.  Si podemos aumentar aún más, veremos los tríos de quarks que constituyen protones y neutrones.

Los quarks han estado unidos desde que el Universo sólo tenía unos pocos segundos de edad y ahora están en nosotros y en todos los objetos del universo, chicos o grandes, todo lo material está hecho de Quarks y Leptones desde una bacteria hasta una galaxia. Por supuesto, también nuestro cerebro y las neuronas que crean pensamientos.

Al llegar a escalas cada vez menores, también hemos entrado en ámbitos de energías de unión cada vez mayores.  Un átomo puede ser desposeído de su electrón aplicando sólo unos miles de electrón-voltios de energía.  Sin embargo, para dispersar los nucleones que forman el núcleo atómico se requieren varios millones de electrón-voltios, y para liberar los quarks que constituyen cada nucleón se necesitaría cientos de veces más energía aún.

Introduciendo el eje de la historia, esta relación da testimonio del pasado de las partículas: las estructuras más pequeñas, más fundamentales están ligadas por niveles de energía mayores porque las estructuras mismas fueron forjadas en el calor del big bang.

Esto implica que los aceleradores de partículas, como los telescopios, funcionen como máquinas del tiempo.  Un telescopio penetra en el pasado en virtud del tiempo que tarda la luz en desplazarse entre las estrellas; un acelerador recrea, aunque sea fugazmente, las condiciones que prevalecían en el Universo primitivo.

Hemos llegado a dominar técnicas asombrosas que nos facilitan ver aquello que, prohibido para nuestro físico, sólo lo podemos alcanzar mediante sofisticados aparatos que bien nos introduce en el universo microscópico de los átomos, o, por el contrario nos llevan al Universo profundo y nos enseña galaxias situadas a cientos y miles de millones de años-luz de la Tierra.

Cuando vemos esos objetos cosmológicos lejanos, cuando estudiamos una galaxia situada a 100.000 mil años-luz de nosotros, sabemos que nuestros telescopios la pueden captar gracias a que la luz de esa galaxia, viajando a 300.000 Km/s llegó a nosotros después de ese tiempo, y, muchas veces, no es extraño que el objeto que estamos viendo ya no exista o si existe, que su conformación sea diferente habiéndose transformado en diferentes transiciones de fase que la evolución en el tiempo ha producido.

Resultado de imagen de Profundizando en los objetos más pequeños del Universo

       Todo lo que ahí podemos ver está formado por pequeños átomos hechos de Quarks y Leptones

        Todo lo grande está hecho de “cosas” pequeñas que interaccionan entre ellas y con las fuerzas

En el ámbito de lo muy pequeño, vemos lo que está ahí en ese momento pero, como se explica más arriba, en realidad, también nos lleva al pasado, a los inicios de cómo todo aquello se formó y con qué componentes que, en definitiva, son los mismos de los que están formadas las galaxias, las estrellas y los planetas, una montaña y un árbol y, cualquiera de nosotros que, algo más evolucionado que todo lo demás, podemos contarlo aquí.

Estas y otras muchas maravillas son las que nos permitirán, en un futuro relativamente cercano, que podamos hacer realidad muchos sueños largamente dormidos en nuestras mentes.

emilio silvera

¡Aquellos primeros momentos!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (0)

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Todo en el Universo tiene un principio y un final y, el mismo universo tuvo que nacer y evolucionar para que hoy podamos contemplar, mediante nuestros sofisticados telescopios, un universo en expansión lleno de galaxias que contienen estrellas nuevas y viejas estrellas, muchas de ellas rodeadas de mundos que, aún no hemos podido determinar de qué criaturas estarán poblados muchos de ellos.

Resultado de imagen de Energía liberada por por hipernova
Antes de que la imagen de arriba fuese una realidad tuvieron que pasar millones de años. Hasta donde sabemos y el origen más aceptado para nuestro Universo es el de una inmensa explosión proveniente de una singularidad en la que la densidad y la energía eran “infinitas” y a partir de ahí, comenzó la gran aventura. Las primeras estrellas surgieron doscientos millones de años después del acontecimiento inicial y, explosiones de rayos gamma miles de millones de años más tarde, cuando las estrellas masivas llegaron al final de sus vidas
Resultado de imagen de Una visión fascinante del Universo
                     Antes de que se formaran los primeros planetas y estrellas pasaron muchas cosas

¡El Universo!

Antes de alrededor de un minuto y cuarenta segundos desde el comienzo del tiempo,  no hay núcleos atómicos estables.  El nivel de energía en el ambiente es mayor que la energía de unión nuclear. Por consiguiente, todos los núcleos que se forman, se destruyen de rápidamente.

Resultado de imagen de Miríadas de neutrinos en el Universo primitivo

Alrededor de un segundo desde el comienzo del tiempo, llegamos a la época de desacoplamiento de los neutrinos.  Aunque en esa época el Universo era muy denso (y tan caliente como la explosión de una bomba de hidrógeno), ya ha empezado a parecer vacío a los neutrinos.  Puesto que los neutrinos sólo reaccionan a la fuerza débil, que tiene un alcance extremadamente corto, pueden escapar de sus garras y volar indefinidamente sin experimentar ninguna otra interacción.

Aunque parezca mentira, al día de hoy no sabemos, a ciencia cierta, como se formaron las galaxias a pesar de la expansión de Hubble ¿Qué clase de materia estaba allí presente para generar la Gravedad que la retuvo y poder conformarlas?

Resultado de imagen de La sustancia cósmica del Universo primitivo

      Algunos postulan la existencia de una especie de redes cósmicas invisibles que generaban Grevedad

Así, emancipados, en lo sucesivo son libres de vagar por el Universo a su manera indiferente, volando a través de la mayor   de la materia como sino existiese. (Diez trillones de neutrinos atravesarán sin causar daños el cerebro y el cuerpo del lector en el tiempo que le lleve leer esta frase.  Y en el tiempo en que usted haya leído esta frase estarán más lejos que la Luna).

En menos de un siglo, el neutrino pasó de una partícula fantasma – propuesta en 1930 por el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) a explicar el balance de energía en una forma de radioactividad,  el llamado decaimiento beta, en una sonda capaz de escrutar el interior de estrellas y de la propia Tierra.

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De esa manera, oleadas de neutrinos liberados en un segundo después del big bang persiste aún después, formando una radiación cósmica de fondo de neutrinos semejante a la radiación de fondo de microondas producida por el desacoplamiento de los fotones.

Si estos neutrinos “cósmicos” (como se los llama para diferenciarlos de los neutrinos liberados más tarde por las supernovas) pudiesen ser observador por un telescopio de neutrinos de alguna clase, proporcionarían una visión directa del Universo cuando sólo tenía un segundo.

A medida que retrocedemos en el tiempo, el Universo se vuelve más denso y más caliente, y el nivel de  estructura que puede existir se hace cada vez más rudimentario.

Por supuesto, en ese tiempo, no hay moléculas, ni átomos, ni núcleos atómicos, y, a 10-6 (0.000001) de segundo después del comienzo del tiempo, tampoco hay neutrones ni protones.  El Universo es un océano de quarks libres y otras partículas elementales.

Si nos tomamos el de contarlos, hallaremos que por cada mil millones de antiquarks existen mil millones y un quark. La asimetría es importante.  Los pocos quarks en exceso destinados a sobrevivir a la aniquilación general quark-antiquark formaran todos los átomos de materia del Universo del último día.  Se desconoce el origen de la desigualdad; presumiblemente obedezca a la ruptura de una simetría materia antimateria en alguna etapa anterior.

Nos aproximamos a un tiempo en que las estructuras básicas de las leyes naturales, y no sólo las de las partículas y campos cuya conducta dictaban, cambiaron a medida que evolucionó el Universo.

La primera transición semejante se produjo en los 10-11 de segundo después del comienzo del tiempo, cuando las funciones de las fuerzas débiles y electromagnéticas se regían por una sola fuerza, la electrodébil.  hay bastante energía ambiente para permitir la creación y el mantenimiento de gran de bosones w y z.

Estas partículas –las mismas cuya aparición en el acelerador del CERN verificó la teoría electrodébil– son las mediadoras intercambiables en las interacciones de fuerzas electromagnéticas y débiles, lo que las hace indistinguibles.  En ese tiempo, el Universo está gobernando sólo por tres fuerzas: la gravedad, la interacción nuclear fuerte y la electrodébil.

Más atrás de ese tiempo nos quedamos en el misterio y envueltos en una gran nebulosa de ignorancia.  Cada uno se despacha a su gusto para lanzar conjeturas y teorizar sobre lo que pudo haber sido.   Seguramente, en el futuro, será la teoría M (de supercuerdas) la que contestará esas preguntas sin respuestas ahora.

En los 10-35 de segundo desde el comienzo del tiempo, entramos en un ámbito en el que las cósmicas son aún menos conocidas.  Si las grandes teorías unificadas son correctas, se produjo una ruptura de la simetría por la que la fuerza electronuclear unificada se escindió en las fuerzas electrodébil y las fuertes.  Si es correcta la teoría de la supersimetría, la transición puede haberse producido antes, había involucrado a la gravitación.

En el universo temprano la primera materia (hidrógeno y Helio) era llevada por la fuerza de gravedad a conformarse en grandes conglomerados de gas y polvo que interacioban, producían calor y formaron las primeras estrellas.

Elaborar una teoría totalmente unificada es tratar de comprender lo que ocurrió en ese tiempo remoto que, según los últimos estudios está situado entre 15.000 y 18.000 millones de años, cunado la perfecta simetría que, se pensaba, caracterizó el Universo, se hizo añicos para dar lugar a los simetrías rotas que hallamos a nuestro alrededor y que, nos trajo las fuerzas y constantes Universales que, paradójicamente, hicieron posible nuestra aparición para que , sea posible que, alguien como yo esté contando lo que pasó.

Pero hasta que no tengamos tal teoría no podemos esperar comprender lo que realmente ocurrió en ese Universo bebé.  Los límites de nuestras conjeturas actuales cuando la edad del Universo sólo es de 10-43de segundo, nos da la única respuesta de encontrarnos ante una puerta cerrada.

Del otro lado de esa puerta está la época de Plank, un tiempo en que la atracción gravitatoria ejercida por cada partícula era comparable en intensidad a la fuerza nuclear fuerte.

La fuerza nuclear fuerte hizo posible la existencia de los núcleos que atraían electrones para formar átomos

Así que, llegados a este punto podemos decir que la clave teórica que podría abrir esa puerta sería una teoría unificada que incluyese la gravitación, es decir, una teoría cuántica-gravitatoria que uniese, de una vez por todas, a Planck y Einsteins que, aunque eran muy amigos, no parecen que sus teorías (la Mecánica Cuántica) y (la Relatividad General) se lleven de maravilla.

emilio silvera

El peligro nos acecha

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Resultado de imagen de Eta Carinae

La Nasa sorprende con una nueva foto de la estrella condenada.

¿Es la estrella Eta Carinae un riesgo para la vida en la Tierra?

 

Hace algún tiempo, en sus siempres magnificas cronícas del Cosmos, Rafael Bachiller nos habló de las explosiones que ha venido experimentando la estrella Eta Carinae.  Una estrella azul con una masa más de 100 veces mayor que la del Sol, situada a una distancia de 7.500 años-luz de nosotros. Eta Carinae ha sufrido múltiples episodios eruptivos, algunos de los cuales han sido observados desde la Tierra, y su futuro, como nos dice Rafael Bachiller, se prevé violento, pudiendo llegar a explotar como una supernova o como una hipernova para formar un agujero negro. Dada su distancia la Tierra, ¿podría alguno de estos escenarios suponer un riesgo para nuestro planeta?

 

La estrella Eta Carinae y la Nebulosa del Homúnculo. Fuente: NASA/ESA/HST

Eta Carina está constantemente en tensión y, para evitar su propia destrucciópn por medio de la propia radiación, se defiende expulsando material al espacio interestelar que la destensione.

La pregunta puede parecer exagerada ya que 7500 años-luz es una distancia enorme; sin embargo, las explosiones de supernovas e hipernovas, con su explosión asociada de rayos gamma, son los fenómenos naturales conocidos que más energía liberan en el Universo. Una sola supernova puede ser más brillante que una galaxia entera durante unos días, y una explosión de rayos gamma puede desprender en pocos segundos la energía equivalente a la que nuestro Sol emitirá en toda su vida estelar de diez mil millones de años.

Resultado de imagen de Grandes extincionesResultado de imagen de Grandes extinciones

A lo largo de la historia de la vida en la Tierra, ha habido en nuestro planeta numerosos episodios de extinción de distintas proporciones, siendo algunos referidos como episodios de extinciones masivas ya que en ellos desaparecieron más de la mitad de las especies que entonces habitaban nuestro mundo. Si bien las causas que dieron origen a estos procesos de extinción son aún, en muchos casos, sujeto debate, en los últimos tiempos se ha empezado a pensar en la posibilidad de que algunos de ellos hayan podido ser propiciados por sucesos cósmicos tales como explosiones de supernovas o de rayos gamma cercanas a la Tierra.

Los efectos en la biosfera provocados por esta clase de explosiones tienen que ver con las consecuencias de la alteración de la química atmosférica debida a la exposición a la radiación gamma y a los rayos cósmicos emitidos en ellas. Estas radiaciones poseen la energía suficiente para romper las moléculas de oxígeno y nitrógeno gaseosos en el aire que respiramos, facilitando la formación de otras como el monóxido de nitrógeno o el dióxido de nitrógeno cuya presencia en altas concentraciones en la atmósfera tendría importantes repercusiones en la biosfera.

Galaxia UGC 9379 (a 360 millones de años-luz) antes y durante la explosión de la supernova SN 2013cu. Fuente: Sloan Digital Sky Survey (izda.), Palomar Observatory (dcha.)

Los efectos provocados por la presencia de estas moléculas son varios; pero, de ellos, el más importante tiene que ver con el papel que desempeñan como catalizadores en la destrucción de la capa de ozono. La presencia de ozono en la atmósfera es vital para la inmensa mayoría de organismos ya que bloquea la mayor parte de la radiación ultravioleta emitida por el Sol. Sin la presencia de ozono, este tipo de radiación llegaría casi en su totalidad a la superficie terrestre provocando un daño significativo en la práctica totalidad de los seres vivos expuestos, además de provocar un aumento en el número de mutaciones en la biota a nivel global que afectaría a su pauta evolutiva.

Resultado de imagen de tipos de rayos solares

A pesar de que la radiación ultravioleta es absorbida por unos metros de agua, los seres vivos de las profundidades marinas también se verían afectados en la medida en que dependen de una cadena alimenticia que comienza en la superficie con el fitoplancton, el cual se vería gravemente afectado por las altas dosis de radiación. El aumento de la radiación ultravioleta a partir de la destrucción del ozono resultaría, por tanto, en una alteración profunda de la biosfera que amenazaría la supervivencia de muchas especies y afectaría a los ritmos evolutivos de las poblaciones que sobrevivieran.

Resultado de imagen de Energía liberada por por hipernovaResultado de imagen de Energía liberada por por hipernova

La intensidad de los efectos descritos anteriormente dependería de la distancia a la que se produjera la explosión y de la energía liberada en la misma. En este sentido, una explosión de Eta Carinae en forma de supernova que no fuera acompañada de una explosión de rayos gamma no tendría una repercusión negativa en la Tierra ya que se estima que un fenómeno semejante debería tener lugar a una distancia de hasta unas cuantas decenas de años-luz para resultar en un pérdida de ozono que propiciara un aumento significativo en el flujo de radiación ultravioleta en la superficie de la Tierra de forma que fuera suficiente para aniquilar numerosas especies y para influir en el desarrollo evolutivo de otras muchas. Sin embargo, en el caso de acabar sus días como supernova con una explosión asociada de rayos gamma, esta radiación, incluso a pesar de ser emitida a 7500 años-luz, sí que tendría efectos notables en la Tierra de ser alcanzada.

Resultado de imagen de Energía liberada por por hipernova

Se estima que una explosión de rayos gamma a menos de 10000 años-luz ya tendría, de hecho, efectos perjudiciales para la biosfera; pero una explosión a aproximadamente 6500 años-luz de distancia (casi el 87 % de la distancia que nos separa de Eta Carinae) tendría, sin embargo, efectos devastadores en nuestro planeta pues se piensa que a esa distancia podría hacer desaparecer hasta la mitad de la capa de ozono.

En nuestra Galaxia se conocen unas pocas estrellas masivas cuyo final podría resultar en una explosión de rayos gamma, y Eta Carinae no es solo una de ellas sino que es, además, la más cercana conocida. Es extremadamente difícil especificar cuándo podría darse la muerte de Eta Carinae y si se dará o no con una explosión de rayos gamma. Se sospecha, sin embargo, que su fin tendrá lugar pronto, tal vez en bastante menos tiempo que un millón de años. De morir en un proceso que desencadenase una explosión de rayos gamma, ¿estaríamos avocados a una catástrofe en la Tierra? Afortunadamente, podemos contestar con un no a esta pregunta ya que hay algo que nos salvaría en esta ocasión.

Composición artística de una explosión de rayos gamma. Fuente: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones.

 

 

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Cuando se da una explosión de rayos gamma en el proceso del colapso gravitatorio de una estrella masiva como Eta Carinae, la radiación así generada no se emite en todas direcciones sino en la forma de dos chorros estrechos con ángulos de apertura de pocos grados que se emiten en sentidos opuestos y en una dirección que es la que coincide con el eje polar de su progenitor. Afortunadamente, se sabe que el eje polar de Eta Carinae no apunta a nuestro sistema solar, sino que lo hace a una distancia angular de entre 47 y 67 grados de nosotros, por lo que, en principio, la Tierra no estaría bajo peligro. Afortunadamente, esto nos salvaría esta vez; pero pensemos que la Vía Láctea está poblada por más de cien mil millones de estrellas y que solo estamos familiarizados con algunas que habitan una pequeña porción de nuestro entorno.

La misteriosa señal que emite un agujero negro

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (0)

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Resultado de imagen de Un agujero negro engulle a una estrella cercana

Científicos investigan unas señales de rayos X en torno a un gigantesco agujero negro.

 

Libertad Digital / Agencias
Los datos aportan más información sobre la forma en que funcionan los agujeros negros | Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

El 22 de noviembre de 2014, astrónomos detectaron un suceso raro en el Universo: un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia, a casi 300 millones de años luz de la Tierra, engullendo una estrella. El evento creó una enorme explosión de actividad de rayos X cerca del centro de la galaxia. Desde entonces, una gran cantidad de observatorios han centrado sus investigaciones en este suceso para tratar de aprender más sobre los agujeros negros.

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Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, y en otros lugares han aportado nuevos datos: tras revisar las observaciones de varios telescopios, han descubierto señales de rayos X curiosamente intensas, estables y periódicas. Las señales emanan de un área muy cercana al horizonte de eventos del agujero negro, el punto a partir del cual el agujero negro engulle toda la materia a su alrededor, incluida la luz.

La señal parece iluminarse y desaparecer periódicamente cada 131 segundos y persiste durante al menos 450 días. Los científicos creen que la fuente de esta señal está orbitando el agujero negro justo fuera del horizonte de eventos, en la denominada Órbita Circular Estable Inferior, o ISCO, la órbita más pequeña en la que una partícula puede viajar con seguridad alrededor de un agujero negro sin caer en él.

Astrónomos detectan el momento en que un agujero negro engulle una estrella

Siguiendo esta hipótesis, los científicos han establecido que el agujero negro, de una masa un millón de veces mayor que la del sol, está girando a aproximadamente el 50 por ciento de la velocidad de la luz.

El primer autor del estudio, Dheeraj Pasham, dice que la mayoría de los agujeros negros supermasivos están inactivos. Solo ocasionalmente lanzan una explosión de actividad, como cuando las estrellas se acercan lo suficiente para que los agujeros negros las devoren. Por ello, estos datos son clave para conocer algo más sobre estos fenómenos.

Resultado de imagen de Un agujero negro orbitando una enana blanca

Según el escenario que maneja el equipo para explicar las señales, el agujero negro estaría siendo orbitado por una enana blanca. En algún momento, una segunda estrella pasó lo suficientemente cerca del sistema para que el agujero negro la destrozara, lo que generó una enorme cantidad de radiación de rayos X.

Cuando el agujero negro empujó este material hacia el interior, algunos de los escombros estelares permanecieron fuera, en la misma órbita que la enana blanca. Al entrar en contacto la estrella con este material, es probable que lo arrastrara consigo, lo que hizo que generara una intensa cantidad de rayos X perceptible por los telescopios cada vez que rodea el agujero negro, en intervalos regulares de 131 segundos.