XMM-Newton espía agujeros negros devorando las mismas estrellas una y otra vez
Dos equipos de astrónomos que utilizan el telescopio espacial XMM-Newton de la ESA han observado repetidos estallidos de luz de agujeros negros inactivos que destruyen estrellas parcialmente una y otra vez. Este descubrimiento es inesperado, ya que los estallidos de agujeros negros suelen aparecer solo una vez cuando un agujero negro consume una estrella.
 |
| Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias y son la fuente de algunas de las actividades más extremas del Universo. Sus grandes masas concentradas en pequeños volúmenes conducen a fuertes fuerzas gravitatorias. Esta impresión artística muestra una estrella puesta en órbita alrededor de un agujero negro, con consecuencias brillantes. El primer panel muestra una estrella (izquierda) acercándose a un agujero negro (derecha). El agujero negro atrae a la estrella más cerca, y el panel 2 muestra que la estrella comienza a ser desgarrada por fuertes fuerzas de marea. Una corriente de material naranja arrancado de las capas exteriores de la estrella cae hacia el agujero negro en el panel 3. Esta corriente alimenta el agujero negro y forma un disco de material naranja brillante a su alrededor, como se ve en el cuarto panel. El material estelar sobrante de la corriente está coloreado en azul. Este proceso crea estallidos de rayos X, UV y luz óptica en un evento conocido como evento de interrupción de marea. Por lo general, solo se necesita un encuentro con el agujero negro para tragarse por completo la estrella. Sin embargo, en raras ocasiones, el núcleo de la estrella sobrevive y comienza otra órbita elíptica del agujero negro. Esto se puede ver cuando la estrella sombreada se mueve a lo largo de diferentes posiciones en la órbita en el panel 4. El disco que rodea al agujero negro se oscurece, como se ve en el panel 5. La estrella se acerca de nuevo al agujero negro y se libera otro estallido de luz cuando el agujero negro vuelve a extraer material del núcleo sobreviviente de la estrella. Este evento de interrupción parcial de las mareas agrega más material al disco de acreción de color naranja brillante alrededor del agujero negro en el sexto panel, y los rastros azules de la corriente de material estelar persisten. El color más claro del disco de acreción, en comparación con el cuarto panel, indica que los estallidos de luz son más tenues después del primer encuentro con el agujero negro. Se atrae menos material hacia el disco desde la estrella, lo que lleva a llamaradas más tenues. Dos equipos de astrónomos utilizaron el XMM-Newton de la ESA para observar dos eventos repetidos de interrupción de las mareas en 2021 y 2022. Eventos como estos son esenciales para comprender más sobre los agujeros negros, que generalmente son invisibles debido a las fuertes fuerzas gravitatorias que atrapan todo, incluida la luz. Crédito: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO |
Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias. Sus masas van desde cientos de miles hasta miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. A pesar de esto, los agujeros negros son escurridizos, atrapan la luz y siguen siendo difíciles de detectar.
Un agujero negro supermasivo oculto se puede descubrir cuando una estrella se desvía y se acerca a él. La estrella es desgarrada por fuertes fuerzas de marea, formando un disco de desechos estelares del que se alimenta el agujero negro. Los rayos X energéticos, la luz ultravioleta, óptica y de radio se pueden detectar durante este proceso conocido como evento de interrupción de la marea.
No totalmente destruido
Los eventos típicos de interrupción de las mareas exhiben un estallido de luz brillante, conocido como llamarada, que dura unos meses durante los cuales el agujero negro consume la estrella. Sin embargo, XMM-Newton ha observado dos nuevas llamaradas con un comportamiento peculiar. Estas llamaradas brillan repetidamente en rayos X y luz ultravioleta después del primer estallido, lo que sugiere que las estrellas no han sido totalmente destruidas durante el encuentro inicial con los agujeros negros.
Los estudios dirigidos por los astrónomos Thomas Wevers del Observatorio Europeo Austral y Zhu Liu del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de Alemania revelan que parte de las estrellas pudo haber sobrevivido a su primer ataque de los agujeros negros. Los datos de rayos X y UV sugieren que partes de las estrellas no se consumen por completo, continúan su órbita y se encuentran nuevamente con el agujero negro disruptivo, lo que lleva a llamaradas recurrentes. Esta actividad se denomina evento de interrupción parcial de las mareas.
Los astrónomos encontraron destellos repetidos de dos galaxias separadas que albergaban agujeros negros supermasivos. Estas galaxias se encuentran mucho más allá de las afueras de la Vía Láctea a distancias de casi 900 millones de años luz y mil millones de años luz.
Uno de los eventos de re-brillo, llamado eRASSt J045650.3−203750, fue descubierto por el telescopio de rayos X eROSITA a bordo de la misión Spectrum-Roentgen-Gamma. Las observaciones de XMM-Newton en 2021 y 2022 realizadas por un equipo dirigido por Zhu encontraron que el destello original fue seguido por estallidos repetidos aproximadamente cada 223 días.
Zhu explica: “Los resultados de nuestra primera observación XMM-Newton fueron sorprendentes. El agujero negro mostró una atenuación inusualmente drástica de la luz de rayos X, en comparación con cuando había sido descubierto dos semanas antes por el telescopio eROSITA. Las observaciones de seguimiento con XMM-Newton y otros instrumentos confirmaron nuestras especulaciones de que este comportamiento estaba siendo causado por un evento de interrupción parcial de las mareas”.
El otro evento de interrupción de las mareas, llamado AT2018fyk, fue descubierto por All-Sky Automated Survey for Supernovae. Brilló con rayos ultravioleta y rayos X durante al menos 500 días, seguido de un oscurecimiento repentino. En mayo de 2022, Thomas y sus colegas usaron XMM-Newton para estudiar el aumento dramático en el brillo de rayos X y UV 1200 días después de su aparición.
Volver a la mesa de dibujo
“Al principio, estábamos absolutamente desconcertados por lo que podría significar el cambio de brillo. Tuvimos que volver a la mesa de dibujo para evaluar todas las opciones posibles para explicar el comportamiento observado. Fue un momento muy emocionante cuando nos dimos cuenta de que el modelo para un evento repetido de interrupción de las mareas podía reproducir los datos observados”, agrega Thomas.
Una animación de video del evento de interrupción parcial de las mareas AT2018fyk muestra el modelo: un agujero negro que destruye repetidamente una estrella.
En total, se utilizaron más de cinco días de observaciones de XMM-Newton para monitorear el cambio de la luz de rayos X proveniente de estas fuentes. La extremadamente sensible cámara europea de imágenes de fotones a bordo del XMM-Newton ayudó a estudiar con gran detalle el material caliente que rodea los agujeros negros.
William Alston, investigador de la ESA, explica la importancia de los resultados. “Estas nuevas observaciones son increíblemente interesantes para estudiar la influencia de los agujeros negros supermasivos. En los eventos típicos de interrupción de las mareas, no esperamos ver una segunda llamarada hasta dentro de unos miles de años. Con las llamaradas que se repiten tan rápidamente, la órbita de la estrella interrumpida debe haber estado unida cerca del agujero negro supermasivo. Estos nuevos estudios sugieren que la estrella interrumpida es atraída a una órbita cercana después de que el agujero negro supermasivo central la arranca de un sistema estelar binario”.
Los equipos que realizan el nuevo descubrimiento se extienden por todo el mundo: además de XMM-Newton y eROSITA, los estudios involucran otras misiones, incluido el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA, The Australia Telescope Compact Array (ATCA) y la carga útil de la Misión Exploradora de Composición Interior de Estrellas de Neutrones en el International Estación Espacial. Las colaboraciones permitieron observar, modelar y comprender estos eventos cósmicos sin precedentes con el máximo detalle.
 |
| El XMM-Newton de la ESA es el telescopio de rayos X más sensible jamás construido. Su diseño de alta tecnología utiliza más de 170 espejos cilíndricos delgados como una oblea repartidos en tres telescopios. Su órbita lo lleva casi un tercio del camino a la Luna, por lo que los astrónomos pueden disfrutar de vistas largas e ininterrumpidas de los objetos celestes. Este singular observatorio de rayos X fue lanzado por Ariane 5 desde el puerto espacial europeo de Kourou, en la Guayana Francesa, el 10 de diciembre de 1999. Su nombre deriva de su diseño de múltiples espejos de rayos X y rinde homenaje a Sir Isaac Newton. ESA - D. Ducros |
Por lo general, oscuro y silencioso
Algunas galaxias están constantemente activas y emiten destellos a medida que el agujero negro supermasivo atrae continuamente materia gaseosa a su órbita. Sin embargo, los dos nuevos eventos observados por XMM-Newton provienen de agujeros negros que generalmente permanecen oscuros y silenciosos, hasta que se acerca una estrella. Estos eventos son la primera vez que se detectan repetidos estallidos de luz de galaxias inactivas. Los resultados de estos estudios se publican en dos artículos en Astronomy & Astrophysics y The Astrophysical Journal Letters.
Desde su descubrimiento en la década de 1990, se han observado casi 100 eventos de interrupción de mareas. Las observaciones de XMM-Newton de los eventos de interrupción de las mareas son vitales para comprender más sobre los agujeros negros supermasivos que, de otro modo, serían difíciles de observar y que se encuentran en el centro de grandes galaxias como la nuestra.
Ambos eventos de interrupción parcial de las mareas serán monitoreados de cerca durante los períodos previstos de futuros episodios de re-brillo para confirmar los hallazgos y hacer más descubrimientos. Es posible que los observadores se encuentren con un silencio, lo que indica que la estrella ha sido tragada entera en el episodio anterior de llamaradas. Se avecinan tiempos turbulentos para estos eventos, y la búsqueda comienza para encontrar eventos similares de interrupción parcial de las mareas.
Notas para el editor
'Vivir para morir otro día: el rebrightening de AT2018fyk como un evento de interrupción de marea parcial repetitivo' por T. Wevers et al. se publica en The Astrophysical Journal Letters. Preimpresión: https://arxiv.org/abs/2209.07538
'Descifrando la variabilidad extrema de rayos X del transitorio nuclear eRASSt J045650.3-203750: un probable evento de interrupción de marea parcial repetitivo' por Z. Liu et al. es aceptado para su publicación en Astronomy & Astrophysics. https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202244805
El equipo se presentarán en una conferencia de prensa de la Sociedad Astronómica Estadounidense (AAS) el jueves 12 de enero de 2023.
Contacto
Relaciones con los medios de la ESA: media@esa.int
• Publicado en ESA el 12 de enero del 2023, enlace publicación.
