Esta ilustración muestra una corriente brillante de material de una estrella, hecha pedazos mientras era devorada por un agujero negro supermasivo. El agujero negro de alimentación está rodeado por un anillo de polvo, no muy diferente del plato de un niño pequeño que está rodeado de migas después de una comida. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Al analizar las observaciones de un destello de rayos X y ajustar los datos con modelos teóricos, los astrónomos de la Universidad de Arizona documentaron un encuentro fatal entre una estrella desafortunada y una estrella de masa intermedia. agujero negro.
Si bien los agujeros negros y los niños pequeños no parecen tener mucho en común, son notablemente similares en un aspecto: ambos son comedores desordenados, lo que genera amplia evidencia de que se ha llevado a cabo una comida.
Pero mientras que uno puede dejar restos de pasta o salpicaduras de yogur, el otro crea una secuela de proporciones alucinantes. Cuando un agujero negro engulle una estrella, produce lo que los astrónomos llaman un "evento de interrupción de marea". La destrucción de la desventurada estrella va acompañada de un estallido de radiación que puede eclipsar la luz combinada de todas las estrellas de 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 marea conocido como J2150 para realizar las primeras mediciones tanto de la masa como del giro del agujero negro. Este agujero negro es de un tipo particular, un agujero negro de masa intermedia, que ha eludido durante mucho tiempo la observación.
“El hecho de que pudiéramos atrapar este agujero negro mientras devoraba una estrella ofrece una oportunidad notable para observar lo que de otro modo sería invisible”, dijo Ann Zabludoff, profesora de astronomía de UArizona 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 el centro de las galaxias".
Al volver a analizar los datos de rayos X utilizados para observar el destello J2150 y compararlos con modelos teóricos sofisticados, los autores demostraron que este destello sí se originó 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 restos de la estrella muerta nos permitieron inferir la masa y el giro de este agujero negro y clasificarlo como un agujero negro intermedio”, dijo Wen.
Cuando una estrella se aventura demasiado cerca de un agujero negro, las fuerzas gravitatorias crean mareas intensas que rompen la estrella en una corriente de gas, lo que resulta en un fenómeno cataclísmico conocido como evento de interrupción de marea. Se liberan enormes cantidades de energía, lo que provoca una interrupción de las mareas que eclipsa su galaxia en algunos casos. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Chris Smith (USRA/GESTAR)
Se han observado docenas de eventos de disrupción de mareas en los centros de grandes galaxias que albergan agujeros negros supermasivos, y también se han observado unos pocos 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 marea 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 de tamaño similar o mayor que nuestro 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 desde 1 millón hasta 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 de Radboud y el Instituto Holandés de Investigación Espacial SRON, 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 supuesta 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 de las que crecen los agujeros negros supermasivos.
“Por lo tanto, si tenemos una mejor idea de cuántos agujeros negros intermedios de buena fe existen, puede ayudar a determinar qué teorías de formación de agujeros negros supermasivos son correctas”, dijo.
Aún más emocionante, según Zabludoff, es la medida del giro de J2150 que el grupo pudo obtener. La medición del espín contiene pistas sobre cómo crecen los agujeros negros y posiblemente sobre la física de partículas.
Este agujero negro tiene un giro rápido, pero no el más rápido posible, explicó Zabludoff, lo que plantea la pregunta de cómo el agujero negro termina 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 hayan fusionado recientemente para formar este”, dijo. "Sabemos que el giro que medimos excluye los escenarios en los que el agujero negro crece durante mucho tiempo debido a que come gas constantemente o a muchos bocadillos de gas rápidos 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 está girando rápidamente. Por lo tanto, nuestra medición de espín descarta una amplia clase de teorías de bosones ultraligeros, lo que demuestra el valor de los agujeros negros como laboratorios extraterrestres para la física de partículas”.
En el futuro, las nuevas observaciones de las erupciones de las mareas podrían permitir a los astrónomos llenar los vacíos en la distribución de la masa del agujero negro, esperan los autores.
“Si resulta que la mayoría de las galaxias enanas contienen agujeros negros de masa intermedia, dominarán la tasa de interrupción de las mareas estelares”, dijo Stone. "Al ajustar la emisión de rayos X de estas llamaradas a los 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 entren en funcionamiento 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 de interrupción por año.
Referencia: "Restricciones de masa, espín y bosones ultraligeros del agujero negro de masa intermedia en el evento de interrupción de mareas 3XMM J215022.4–055108" por Sixiang Wen, Peter G. Jonker, Nicholas C. Stone y Ann I. Zabludoff, 6 septiembre 2021, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac00b5
Esta investigación fue apoyada por subvenciones de NASA y la Fundación Binacional de Ciencias EE.UU.-Israel.
