Los físicos modelan con precisión los patrones de alimentación de los agujeros negros

Potentes telescopios como el Telescopio Hubble de la NASA, el Observatorio James Webb y el Observatorio de rayos X Chandra brindan a los científicos una ventana al espacio profundo para explorar la física de los agujeros negros. Si bien uno podría preguntarse cómo se puede «ver» un agujero negro, que es famoso por absorber toda la luz, esto es posible a través de eventos de perturbación de mareas (TDE), en los que una estrella es destruida por un agujero negro supermasivo y puede alimentar una «acreción luminosa». llamarada.» Con miles de millones de luminosidades más que el Sol, los eventos de acreción permiten a los astrofísicos estudiar los agujeros negros supermasivos (SMBH) a distancias cósmicas.

Los TDE ocurren cuando una estrella es violentamente destrozada por el campo gravitacional masivo de un agujero negro. A medida que la estrella se rompe, sus restos se convierten en una corriente de escombros que vuelve a caer sobre el agujero negro para formar un disco de material brillante y extremadamente caliente que orbita alrededor del agujero negro, llamado disco de acreción. Los científicos pueden estudiar este fenómeno para realizar observaciones directas de los TDE y compararlas con modelos teóricos para vincular las observaciones con las propiedades físicas de estrellas destrozadas y agujeros negros destrozados.

Un equipo de físicos de la Universidad de Syracuse, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial utilizaron modelos detallados para predecir el brillo y la atenuación de AT2018fyk, un evento parcialmente recurrente que significa que el núcleo de alta densidad de la estrella escapó de la interacción gravitacional con la estrella masiva. agujero negro, lo que le permite orbitar el agujero negro y romperse más de una vez. El modelo predijo que AT2018fyk se «atenuaría» en agosto de 2023, una predicción que se confirmó cuando la fuente se oscureció el verano pasado, proporcionando evidencia de que su modelo ofrece una nueva forma de explorar la física de los agujeros negros. Sus resultados fueron publicados en Cartas de revistas astrofísicas.

Fuente de alta energía

Gracias a estudios galácticos increíblemente detallados, los científicos están observando más fuentes de luz que nunca que van y vienen. Las encuestas escanean hemisferios enteros en busca de brillo o atenuación repentina de las fuentes, lo que indica a los investigadores que algo ha cambiado. A diferencia del telescopio de su sala de estar, que solo puede enfocar la luz visible, los telescopios como el Chandra pueden detectar fuentes de luz en lo que se conoce como el espectro de rayos X emitido por materia que está a millones de grados de temperatura.

La luz visible y los rayos X son formas de radiación electromagnética, pero los rayos X tienen longitudes de onda más cortas y mayor energía. De manera similar a la forma en que su estufa se pone «al rojo vivo» después de encenderla, el gas que forma el disco «brilla» a diferentes temperaturas, siendo el material más caliente el más cercano al agujero negro. Sin embargo, en lugar de irradiar su energía en longitudes de onda ópticas visibles a simple vista, el gas más caliente del disco de acreción emite en el espectro de rayos X. Estos son los mismos rayos X que los médicos usan para obtener imágenes de los huesos que pueden atravesar el tejido blando y, debido a esta relativa transparencia, los detectores utilizados por los telescopios de rayos X de la NASA están diseñados específicamente para detectar esta radiación de alta energía.

Actuación repetida

En enero de 2023, un equipo de físicos, entre ellos Eric Coughlin, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Syracuse, y Dheeraj R. «D.J.» Basham, científico investigador del MIT, y Thomas Wevers, miembro del Instituto Científico del Telescopio Espacial, escribieron un artículo en Cartas de revistas astrofísicas quien propuso un modelo detallado para Repetir TDE parcialSus resultados fueron los primeros en mapear la órbita de reentrada de una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo, revelando nueva información sobre uno de los entornos más extremos del universo.

El equipo basó su estudio en un fenómeno TDE conocido como AT2018fyk (AT significa “evento astrofísico transitorio”), en el que se sugirió que una estrella fue capturada por un agujero negro supermasivo mediante un proceso de intercambio conocido como “captura de crestas”. Originalmente, una de las dos estrellas era parte de un sistema binario (dos estrellas orbitando entre sí bajo su gravedad mutua), y se suponía que una estrella era capturada por el campo gravitacional del agujero negro mientras que la otra estrella (no capturada) era expulsada de él. el centro galáctico a velocidades similares a ~ 1000 km/s.

Una vez unida al agujero negro supermasivo, la estrella que alimenta la emisión de AT2018fyk es despojada repetidamente de su capa exterior cada vez que pasa por su punto más cercano al agujero negro. Las capas exteriores despojadas de la estrella forman el brillante disco de acreción, que los investigadores pueden estudiar utilizando telescopios de rayos X y ultravioleta/ópticos que monitorean la luz de galaxias distantes.

Si bien los TDE suelen ser «únicos» porque el intenso campo gravitacional del agujero negro supermasivo destruye la estrella, lo que significa que el agujero negro supermasivo vuelve a desaparecer en la oscuridad después de la llamarada de acreción, AT2018fyk presentó una oportunidad única para explorar un TDE parcial repetido.

El equipo de investigación utilizó tres telescopios para realizar los descubrimientos iniciales y posteriores: SWIFT y Chandra, ambos operados por la NASA, y XMM-Newton, una misión europea. AT2018fyk se observó por primera vez en 2018, a unos 870 millones de años luz de distancia, lo que significa que, debido al tiempo que tarda la luz en viajar, ocurrió en “tiempo real” hace unos 870 millones de años.

El equipo utilizó modelos detallados para predecir que la fuente de luz desaparecería repentinamente alrededor de agosto de 2023 y luego volvería a brillar cuando la materia recién eliminada se acumulara en el agujero negro en 2025.

Validación del modelo

Confirmando la precisión de su modelo, el equipo informó de una disminución en el flujo de rayos X durante un período de dos meses, a partir del 14 de agosto de 2023. Este cambio repentino puede interpretarse como una segunda interrupción de la emisión.

«El cese de emisiones observado muestra que nuestro modelo y nuestras suposiciones son viables, y sugiere que estamos siendo testigos de una estrella que es devorada lentamente por un agujero negro distante y extremadamente masivo», dice Coughlin. «En nuestra investigación del año pasado, utilizamos restricciones. desde la explosión inicial, el oscurecimiento y la reluminiscencia para predecir que AT2018fyk debería mostrar un oscurecimiento repentino hasta agosto de 2023, si la estrella sobrevive al segundo encuentro que impulsó la segunda llamarada”.

El hecho de que el sistema mostrara este cierre esperado apunta a varias distinciones entre una estrella y un agujero negro:

• La estrella sobrevivió a su segundo encuentro con el agujero negro;
• La tasa de retorno de los escombros despojados al agujero negro está estrechamente relacionada con el brillo de AT2018fyk;
• El período orbital de la estrella alrededor del agujero negro es de unos 1.300 días, o unos 3,5 años.

El segundo corte indica que debería ocurrir otro resplandeciente entre mayo y agosto de 2025, y si la estrella sobrevive al segundo encuentro, se espera que ocurra un tercer corte entre enero y julio de 2027.

En cuanto a si podemos contar con ver un nuevo brillo en 2025, Coughlin dice que el descubrimiento del segundo corte significa que la estrella ha sido despojada de más masa recientemente, que debe regresar al agujero negro para producir un tercer brillo.

«La única incertidumbre es el pico de emisión», afirma. «El segundo pico vuelto a iluminar fue más débil que el primero, y es desafortunado que la tercera ráfaga pueda ser incluso más débil. Eso es lo único que podría limitar la detectabilidad de esta tercera ráfaga».

Coughlin señala que este modelo representa una nueva e interesante forma de estudiar la frecuencia de TDE parciales extremadamente raras, que se cree que ocurren una vez cada millón de años en una galaxia determinada. Hasta ahora, afirma, los científicos han encontrado sólo cuatro o cinco sistemas que exhiben este comportamiento.

«Con la llegada de una tecnología de detección mejorada que descubre descubrimientos parciales más frecuentes, esperamos que este modelo sea una herramienta esencial para que los científicos identifiquen estos descubrimientos», afirma.