Así es como se ve cuando un agujero negro golpea una estrella

Analizando las observaciones de una llamarada de rayos X y ajustando los datos con modelos teóricos, los astrónomos de UArizona documentaron un encuentro fatal entre una estrella desafortunada y un agujero negro de masa intermedia.

Esta ilustración muestra una corriente brillante de material de una estrella, destrozada mientras era devorada por un agujero negro supermasivo. El agujero negro que se alimenta está rodeado por un anillo de polvo, al igual que el plato de un niño pequeño está rodeado de migas después de una comida. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Si bien los agujeros negros y los niños pequeños no parecen tener mucho en común, son notablemente similares en un aspecto: ambos comen desordenados, lo que genera una amplia evidencia de que ha tenido lugar una comida.

Pero mientras que uno puede dejar excrementos de pasta o salpicaduras de yogur, el otro crea una secuela de proporciones alucinantes. Cuando un agujero negro devora una estrella, produce lo que los astrónomos llaman un “evento de interrupción de las mareas”. La destrucción de la desventurada estrella va acompañada de un estallido de radiación que puede eclipsar la luz combinada de cada estrella en la galaxia anfitriona del agujero negro durante meses, incluso años.

En un artículo publicado en The Astrophysical Journal, un equipo de astrónomos dirigido por Sixiang Wen , investigador asociado postdoctoral en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona, utiliza los rayos X emitidos por un evento de interrupción de las mareas conocido como J2150 para realizar las primeras mediciones de tanto la masa como el giro del agujero negro. Este agujero negro es de un tipo particular, un agujero negro de masa intermedia, que ha eludido la observación durante mucho tiempo.

“El hecho de que pudiéramos atrapar este agujero negro mientras devoraba una estrella ofrece una oportunidad extraordinaria para observar lo que de otro modo sería invisible”, dijo Ann Zabludoff , profesora de astronomía de Arizona y coautora del artículo. “No solo eso, al analizar la llamarada pudimos comprender mejor esta elusiva categoría de agujeros negros, que bien puede representar la mayoría de los agujeros negros en los centros de las galaxias”.

Al volver a analizar los datos de rayos X utilizados para observar la llamarada J2150 y compararlos con modelos teóricos sofisticados, los autores demostraron que esta llamarada se originó de hecho a partir de un encuentro entre una estrella desafortunada y un agujero negro de masa intermedia. El agujero negro intermedio en cuestión tiene una masa particularmente baja, es decir, para un agujero negro, con un peso de aproximadamente 10.000 veces la masa del sol.

“Las emisiones de rayos X del disco interno formado por los escombros de la estrella muerta nos hicieron posible inferir la masa y el giro de este agujero negro y clasificarlo como un agujero negro intermedio”, dijo Wen.

Se han visto decenas de eventos de disrupción de mareas en los centros de grandes galaxias que albergan agujeros negros supermasivos, y también se han observado algunos en los centros de pequeñas galaxias que podrían contener agujeros negros intermedios. Sin embargo, los datos anteriores nunca han sido lo suficientemente detallados como para demostrar que una erupción de interrupción de las mareas individual fue impulsada por un agujero negro intermedio.

“Gracias a las observaciones astronómicas modernas, sabemos que los centros de casi todas las galaxias que son similares o más grandes en tamaño que nuestra Vía Láctea albergan agujeros negros supermasivos centrales”, dijo el coautor del estudio Nicholas Stone, profesor titular de la Universidad Hebrea de Jerusalén. “Estos gigantes varían en tamaño entre 1 millón y 10 mil millones de veces la masa de nuestro sol, y se convierten en poderosas fuentes de radiación electromagnética cuando cae demasiado gas interestelar en su vecindad”.

La masa de estos agujeros negros se correlaciona estrechamente con la masa total de sus galaxias anfitrionas; las galaxias más grandes albergan los agujeros negros supermasivos más grandes.

“Todavía sabemos muy poco sobre la existencia de agujeros negros en los centros de galaxias más pequeñas que la Vía Láctea”, dijo el coautor Peter Jonker de la Universidad Radboud y el Instituto de Investigación Espacial SRON de Holanda, ambos en los Países Bajos. “Debido a las limitaciones de observación, es un desafío descubrir agujeros negros centrales mucho más pequeños que 1 millón de masas solares”.

A pesar de su presunta abundancia, los orígenes de los agujeros negros supermasivos siguen siendo desconocidos, y muchas teorías diferentes compiten actualmente para explicarlos, según Jonker. Los agujeros negros de masa intermedia podrían ser las semillas a partir de las cuales crecen los agujeros negros supermasivos.

“Por lo tanto, si logramos un mejor manejo de cuántos agujeros negros intermedios auténticos hay, esto puede ayudar a determinar qué teorías de la formación de agujeros negros supermasivos son correctas”, dijo.

Aún más emocionante, según Zabludoff, es la medición del giro de J2150 que el grupo pudo obtener. La medición de espín tiene pistas sobre cómo crecen los agujeros negros y posiblemente sobre la física de partículas.

Esta animación ilustra lo que sucede cuando una estrella desafortunada se acerca demasiado a un agujero negro monstruoso. Las fuerzas gravitacionales crean intensas mareas que rompen la estrella en una corriente de gas. La parte final de la corriente se escapa del sistema, mientras que la parte principal se balancea hacia atrás, rodeando el agujero negro con un disco de escombros. Este fenómeno cataclísmico se denomina evento de interrupción de las mareas. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR)

Este agujero negro tiene un giro rápido, pero no el giro más rápido posible, explicó Zabludoff, planteando la pregunta de cómo termina el agujero negro con un giro en este rango.

“Es posible que el agujero negro se haya formado de esa manera y no haya cambiado mucho desde entonces, o que dos agujeros negros de masa intermedia se fusionaron recientemente para formar este”, dijo. “Sabemos que el giro que medimos excluye los escenarios en los que el agujero negro crece durante mucho tiempo por consumir gas de manera constante o por muchos bocadillos rápidos de gas que llegan de direcciones aleatorias”.

Además, la medición del espín permite a los astrofísicos probar hipótesis sobre la naturaleza de la materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo. La materia oscura puede consistir en partículas elementales desconocidas que aún no se han visto en experimentos de laboratorio. Entre los candidatos se encuentran partículas hipotéticas conocidas como bosones ultraligeros, explicó Stone.

“Si esas partículas existen y tienen masas en un cierto rango, evitarán que un agujero negro de masa intermedia tenga un giro rápido”, dijo. “Sin embargo, el agujero negro de J2150 gira rápidamente. Entonces, nuestra medición de espín descarta una amplia clase de teorías de bosones ultraligeros, mostrando el valor de los agujeros negros como laboratorios extraterrestres para la física de partículas ”.

En el futuro, las nuevas observaciones de las erupciones por disrupción de las mareas podrían permitir a los astrónomos llenar los vacíos en la distribución de masa de los agujeros negros, esperan los autores.

“Si resulta que la mayoría de las galaxias enanas contienen agujeros negros de masa intermedia, entonces dominarán la tasa de interrupción de las mareas estelares”, dijo Stone. “Al ajustar la emisión de rayos X de estas erupciones a modelos teóricos, podemos realizar un censo de la población de agujeros negros de masa intermedia en el universo”, agregó Wen.

Sin embargo, para hacer eso, se deben observar más eventos de interrupción de las mareas. Es por eso que los astrónomos tienen grandes esperanzas de que pronto estén en línea nuevos telescopios, tanto en la Tierra como en el espacio, incluido el Observatorio Vera C.Rubin, también conocido como Legacy Survey of Space and Time, o LSST, que se espera que descubra miles de mareas. eventos disruptivos por año.

Esta investigación fue apoyada por subvenciones de la NASA y la Fundación Binacional de Ciencias Estados Unidos-Israel.

Referencia:

S. Wen y col . “ Restricciones de bosones de masa, espín y ultraligeros del agujero negro de masa intermedia en el evento de interrupción de mareas 3XMM J215022.4–055108 ”. The Astrophysical Journal 918.2, 46 (2021). [ preimpresión de arXiv ]

Fuente: Universidad de Arizona , por Daniel Stolte.

Los comentarios están cerrados.