Los agujeros negros supermasivos devoran gas al igual que sus contrapartes pequeñas

Independientemente del tamaño, todos los agujeros negros experimentan ciclos de acreción similares, encuentra un nuevo estudio.

El 9 de septiembre de 2018, los astrónomos vieron un destello de una galaxia a 860 millones de años luz de distancia. La fuente fue un agujero negro supermasivo de aproximadamente 50 millones de veces la masa del sol. Normalmente silencioso, el gigante gravitacional se despertó repentinamente para devorar una estrella que pasaba en un caso raro conocido como evento de interrupción de las mareas. Cuando los escombros estelares cayeron hacia el agujero negro, liberaron una enorme cantidad de energía en forma de luz.

Agujero negro de masa intermedia con estrella destrozada (Impresión del artista). La impresión de este artista representa una estrella que se está desgarrando por un agujero negro de masa intermedia (IMBH), rodeado por un disco de acreción. Este disco de material delgado y giratorio consiste en las sobras de una estrella que fue destrozada por las fuerzas de marea del agujero negro. Crédito: ESA / Hubble, M. Kornmesser.

Investigadores del MIT, el Observatorio Europeo Austral y otros lugares utilizaron múltiples telescopios para vigilar el evento, etiquetado como AT2018fyk. Para su sorpresa, observaron que a medida que el agujero negro supermasivo consumía la estrella, exhibía propiedades similares a las de los agujeros negros de masa estelar mucho más pequeños.

Los resultados, publicados hoy en Astrophysical Journal, sugieren que la acreción, o la forma en que los agujeros negros evolucionan a medida que consumen material, es independiente de su tamaño.

"Hemos demostrado que, si has visto un agujero negro, los has visto todos, en cierto sentido", dice el autor del estudio Dheeraj "DJ" Pasham, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Cuando les lanzas una bola de gas, todos parecen hacer más o menos lo mismo. Son la misma bestia en términos de su acreción ".

Los coautores de Pasham incluyen al científico investigador principal Ronald Remillard y al ex estudiante de posgrado Anirudh Chiti en el MIT, junto con investigadores del Observatorio Europeo Austral, la Universidad de Cambridge, la Universidad de Leiden, la Universidad de Nueva York, la Universidad de Maryland, la Universidad Curtin, la Universidad de Amsterdam. y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

Un despertar estelar

Cuando los pequeños agujeros negros de masa estelar con una masa de aproximadamente 10 veces la  de nuestros Sol emiten un estallido de luz, a menudo es en respuesta a una afluencia de material de una estrella compañera. Este estallido de radiación desencadena una evolución específica de la región alrededor del agujero negro. Desde la inactividad, un agujero negro pasa a una fase "blanda" dominada por un disco de acreción a medida que el material estelar se introduce en el agujero negro. A medida que disminuye la cantidad de material que afluye, vuelve a pasar a una fase "dura" en la que se hace cargo de una corona al rojo vivo. El agujero negro eventualmente vuelve a establecerse en una inactividad constante, y todo este ciclo de acreción puede durar de unas pocas semanas a meses.

Los físicos han observado este ciclo de acreción característico en múltiples agujeros negros de masa estelar durante varias décadas. Pero para los agujeros negros supermasivos, se pensó que este proceso llevaría demasiado tiempo para capturar por completo, ya que estos goliats son normalmente herbívoros y se alimentan lentamente de gas en las regiones centrales de una galaxia.

“Este proceso ocurre normalmente en escalas de tiempo de miles de años en agujeros negros supermasivos”, dice Pasham. "Los humanos no pueden esperar tanto para capturar algo como esto".

Pero todo este proceso se acelera cuando un agujero negro experimenta una gran afluencia repentina de material, como durante un evento de interrupción de las mareas, cuando una estrella se acerca lo suficiente como para que un agujero negro pueda romperla en pedazos.

"En un evento de interrupción de las mareas, todo es abrupto", dice Pasham. “De repente te arrojan un trozo de gas, y el agujero negro se despierta repentinamente y es como, 'vaya, hay tanta comida, déjame comer, comer, comer hasta que se acabe'. experimenta todo en un corto período de tiempo. Eso nos permite sondear todas estas diferentes etapas de acreción que la gente ha conocido en los agujeros negros de masa estelar ".

Ilustración de Cygnus X-1 Cygnus X-1 se encuentra cerca de grandes regiones activas de formación de estrellas en la Vía Láctea. La ilustración de un artista muestra lo que los astrónomos creen que está sucediendo dentro del sistema Cygnus X-1. Cygnus X-1 es un llamado agujero negro de masa estelar, una clase de agujeros negros que proviene del colapso de una estrella masiva. El agujero negro atrae material de una estrella compañera azul masiva hacia él. Este material forma un disco (mostrado en rojo y naranja) que gira alrededor del agujero negro antes de caer en él o ser redirigido lejos del agujero negro en forma de poderosos chorros. Crédito: NASA / CXC / M.Weiss

Un ciclo supermasivo

En septiembre de 2018, el All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASASSN) recogió señales de un destello repentino. Posteriormente, los científicos determinaron que la llamarada fue el resultado de un evento de interrupción de las mareas que involucró un agujero negro supermasivo, al que etiquetaron como TDE AT2018fyk. Wevers, Pasham y sus colegas saltaron a la alerta y pudieron dirigir múltiples telescopios, cada uno entrenado para mapear diferentes bandas del espectro ultravioleta y de rayos X, hacia el sistema.

El equipo recopiló datos durante dos años, utilizando los telescopios espaciales de rayos X XMM-Newton y el Observatorio de rayos X Chandra, así como NICER, el instrumento de monitoreo de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional y el Observatorio Swift, junto con radiotelescopios en Australia.

“Capturamos el agujero negro en estado blando con un disco de acreción formándose y la mayor parte de la emisión en ultravioleta, con muy pocas en los rayos X”, dice Pasham. “Luego, el disco colapsa, la corona se vuelve más fuerte y ahora es muy brillante en los rayos X. Con el tiempo, no hay mucho gas del que alimentarse y la luminosidad general desciende y vuelve a niveles indetectables ".

Los investigadores estiman que el agujero negro interrumpió mareamente una estrella del tamaño de nuestro sol. En el proceso, generó un enorme disco de acreción, de unos 12 mil millones de kilómetros de ancho, y emitió gas que estimaron en unos 40.000 Kelvin, o más de 70.000 grados Fahrenheit. A medida que el disco se volvió más débil y menos brillante, una corona de rayos X compactos de alta energía asumió el control como la fase dominante alrededor del agujero negro antes de desaparecer finalmente.

“La gente ha sabido que este ciclo ocurre en agujeros negros de masa estelar, que tienen solo unas 10 masas solares. Ahora estamos viendo esto en algo 5 millones de veces más grande ”, dice Pasham.

"La perspectiva más emocionante para el futuro es que tales eventos de interrupción de las mareas brindan una ventana a la formación de estructuras complejas muy cercanas al agujero negro supermasivo, como el disco de acreción y la corona", dice el autor principal Thomas Wevers, miembro del Observatorio Europeo Austral. "Al estudiar cómo se forman e interactúan estas estructuras en el entorno extremo que sigue a la destrucción de una estrella, podemos empezar a comprender mejor las leyes físicas fundamentales que gobiernan su existencia".

Además de mostrar que los agujeros negros experimentan la acreción de la misma manera, independientemente de su tamaño, los resultados representan solo la segunda vez que los científicos capturan la formación de una corona de principio a fin.

"Una corona es una entidad muy misteriosa, y en el caso de los agujeros negros supermasivos, la gente ha estudiado las coronas establecidas pero no sabe cuándo ni cómo se formaron", dice Pasham. “Hemos demostrado que puede utilizar los eventos de interrupción de las mareas para capturar la formación de coronas. Estoy emocionado de usar estos eventos en el futuro para descubrir qué es exactamente la corona ".

Esta investigación fue apoyada parcialmente por el gobierno australiano a través del esquema de financiación de proyectos de descubrimiento del Australian Research Council.

Artículo: "Rapid Accretion State Transitions following the Tidal Disruption Event AT2018fyk".

• Publicado en MIT Massachusetts Institute of Technology el 17 de mayo del 2021, enlace publicación.