Un equipo de físicos diseña un modelo que mapea la sorprendente órbita de una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo

A cientos de millones de años luz de distancia, en una galaxia distante, una estrella que orbita alrededor de un agujero negro supermasivo está siendo desgarrada violentamente bajo la inmensa atracción gravitacional del agujero negro. A medida que la estrella se tritura, sus restos se transforman en una corriente de escombros que cae de nuevo sobre el agujero negro para formar un disco de material muy caliente y muy brillante que se arremolina alrededor del agujero negro, llamado disco de acreción. Este fenómeno, donde una estrella es destruida por un agujero negro supermasivo y alimenta una llamarada de acreción luminosa, se conoce como evento de interrupción de marea (TDE), y se predice que los TDE ocurren aproximadamente una vez cada 10,000 a 100,000 años en una galaxia determinada.

Con luminosidades que superan a galaxias enteras (es decir, miles de millones de veces más brillantes que nuestro Sol) durante breves períodos de tiempo (de meses a años), los eventos de acreción permiten a los astrofísicos estudiar agujeros negros supermasivos (SMBH) desde distancias cosmológicas, proporcionando una ventana a las regiones centrales. de otras galaxias inactivas o inactivas. Al investigar estos eventos de gravedad fuerte, donde la teoría general de la relatividad de Einstein es fundamental para determinar cómo se comporta la materia, los TDE brindan información sobre uno de los entornos más extremos del universo: el horizonte de eventos, el punto de no retorno, de un agujero negro. .

Los TDE suelen ser «una vez y listo» porque el campo gravitacional extremo del SMBH destruye la estrella, lo que significa que el SMBH se desvanece en la oscuridad después de la llamarada de acreción. Sin embargo, en algunos casos, el núcleo de alta densidad de la estrella puede sobrevivir a la interacción gravitacional con el SMBH, lo que le permite orbitar el agujero negro más de una vez. Los investigadores llaman a esto un TDE parcial repetitivo.

Un equipo de físicos, incluido el autor principal Thomas Wevers, miembro del Observatorio Europeo Austral, y los coautores Eric Coughlin, profesor asistente de física en la Universidad de Syracuse, y Dheeraj R. «DJ» Pasham, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica del MIT. y Space Research, han propuesto un modelo para un TDE parcial repetitivo. Sus hallazgos, publicados en Cartas de revistas astrofísicas, describa la captura de la estrella por un SMBH, el despojo del material cada vez que la estrella se acerca al agujero negro y el retraso entre el momento en que se despoja el material y cuando vuelve a alimentar al agujero negro. El trabajo del equipo es el primero en desarrollar y utilizar un modelo detallado de un TDE parcial repetitivo para explicar las observaciones, hacer predicciones sobre las propiedades orbitales de una estrella en una galaxia distante y comprender el proceso de interrupción parcial de las mareas.

El equipo está estudiando un TDE conocido como AT2018fyk (AT significa transitorio astrofísico). La estrella fue capturada por un SMBH a través de un proceso de intercambio conocido como «captura de Hills», donde la estrella era originalmente parte de un sistema binario (dos estrellas que orbitan entre sí bajo su atracción gravitacional mutua) que fue desgarrado por el campo gravitacional de el agujero negro. La otra estrella (no capturada) fue expulsada del centro de la galaxia a velocidades comparables a ~1000 km/s, lo que se conoce como estrella de hipervelocidad.

Una vez unida al SMBH, la estrella que alimenta la emisión de AT2018fyk ha sido despojada repetidamente de su envoltura exterior cada vez que pasa por su punto de mayor acercamiento con el agujero negro. Las capas exteriores despojadas de la estrella forman el disco de acreción brillante, que los investigadores pueden estudiar utilizando telescopios de rayos X y ultravioleta/ópticos que observan la luz de galaxias distantes.

Según Wevers, tener la oportunidad de estudiar un TDE parcial brinda una visión sin precedentes de la existencia de agujeros negros supermasivos y la dinámica orbital de las estrellas en los centros de las galaxias.

«Hasta ahora, la suposición ha sido que cuando vemos las secuelas de un encuentro cercano entre una estrella y un agujero negro supermasivo, el resultado será fatal para la estrella, es decir, la estrella se destruirá por completo», dice. «Pero al contrario de todos los demás TDE que conocemos, cuando apuntamos nuestros telescopios al mismo lugar varios años después, descubrimos que había vuelto a brillar. Esto nos llevó a proponer que, en lugar de ser fatal, parte de la estrella sobrevivió al encuentro inicial y regresó al mismo lugar para ser despojado de material una vez más, lo que explica la fase de re-brillo».

Vivir para morir otro día

Detectado por primera vez en 2018, AT2018fyk se percibió inicialmente como un TDE ordinario. Durante aproximadamente 600 días, la fuente permaneció brillante en los rayos X, pero luego se oscureció abruptamente y fue indetectable, como resultado del núcleo remanente estelar que regresa a un agujero negro, explica el físico del MIT Dheeraj R. Pasham.

«Cuando el núcleo regresa al agujero negro, esencialmente roba todo el gas del agujero negro a través de la gravedad y, como resultado, no hay materia para acumular y, por lo tanto, el sistema se oscurece», dice Pasham.

No quedó claro de inmediato qué causó la disminución precipitada de la luminosidad de AT2018fyk, porque los TDE normalmente decaen de manera suave y gradual, no abruptamente, en su emisión. Pero alrededor de 600 días después de la caída, se descubrió nuevamente que la fuente era brillante en rayos X. Esto llevó a los investigadores a proponer que la estrella sobrevivió a su encuentro cercano con SMBH la primera vez y estaba en órbita alrededor del agujero negro.

Usando un modelo detallado, los hallazgos del equipo sugieren que el período orbital de la estrella alrededor del agujero negro es de aproximadamente 1.200 días, y el material que se desprende de la estrella tarda aproximadamente 600 días en regresar al agujero negro y comenzar a acumularse. Su modelo también restringió el tamaño de la estrella capturada, que creen que era del tamaño del sol. En cuanto al binario original, el equipo cree que las dos estrellas estaban extremadamente cerca una de la otra antes de ser destrozadas por el agujero negro, probablemente orbitando entre sí cada pocos días.

Entonces, ¿cómo podría una estrella sobrevivir a su roce con la muerte? Todo se reduce a una cuestión de proximidad y trayectoria. Si la estrella chocara de frente con el agujero negro y pasara el horizonte de eventos, el umbral donde la velocidad necesaria para escapar del agujero negro supera la velocidad de la luz, la estrella sería consumida por el agujero negro. Si la estrella pasara muy cerca del agujero negro y cruzara el llamado «radio de marea», donde la fuerza de marea del agujero es más fuerte que la fuerza gravitacional que mantiene unida a la estrella, sería destruida. En el modelo que han propuesto, la órbita de la estrella alcanza un punto de máximo acercamiento que está justo fuera del radio de marea, pero no lo cruza por completo: parte del material de la superficie estelar es despojado por el agujero negro, pero el el material en su centro permanece intacto.

¿Una actuación repetida?

Cómo, o si, el proceso de la estrella que orbita el SMBH puede ocurrir en muchos pasajes repetidos es una pregunta teórica que el equipo planea investigar con futuras simulaciones. El físico de Syracuse, Eric Coughlin, explica que estiman que entre el 1 y el 10 % de la masa de la estrella se pierde cada vez que pasa por el agujero negro, con un amplio rango debido a la incertidumbre en el modelado de la emisión del TDE.

«Si la pérdida de masa es solo del 1%, entonces esperamos que la estrella sobreviva muchos más encuentros, mientras que si está más cerca del 10%, es posible que la estrella ya haya sido destruida», señala Coughlin.

El futuro de la investigación TDE

El equipo mantendrá sus ojos en el cielo en los próximos años para probar sus predicciones. Según su modelo, pronosticaron que la fuente desaparecerá abruptamente alrededor de marzo de 2023 y volverá a brillar cuando el material recién extraído se acumule en el agujero negro en 2025.

El equipo dice que su estudio ofrece una nueva forma de seguir y monitorear las fuentes de seguimiento que se han detectado en el pasado. El trabajo también sugiere un nuevo paradigma para el origen de las erupciones repetidas desde los centros de las galaxias externas.

«En el futuro, es probable que se verifiquen más sistemas en busca de erupciones tardías, especialmente ahora que este proyecto presenta una imagen teórica de la captura de la estrella a través de un proceso de intercambio dinámico y la subsiguiente interrupción parcial repetida de las mareas». dice Coughlin. «Esperamos que este modelo se pueda usar para inferir las propiedades de los agujeros negros supermasivos distantes y obtener una comprensión de su ‘demografía’, es decir, la cantidad de agujeros negros dentro de un rango de masa dado, que de otro modo es difícil de lograr directamente».

El equipo dice que el modelo también hace varias predicciones comprobables sobre el proceso de interrupción de las mareas, y con más observaciones de sistemas como AT2018fyk, debería dar una idea de la física de los eventos de interrupción parcial de las mareas y los entornos extremos alrededor de los agujeros negros supermasivos.

«Este estudio describe la metodología para predecir potencialmente los próximos tiempos de merienda de los agujeros negros supermasivos en las galaxias externas», dice Pasham. «Si lo piensas, es bastante notable que nosotros en la Tierra podamos alinear nuestros telescopios con agujeros negros a millones de años luz de distancia para comprender cómo se alimentan y crecen».