NuSTAR revela que un agujero negro destroza una estrella

NuSTAR ha revelado detalles cruciales para comprender uno de los tipos de fenómenos más energéticos del universo. Si una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo, la fuerza de marea del agujero negro la desgarrará. Básicamente, el lado de la estrella más cercano al agujero negro siente una atracción gravitatoria más fuerte que el lado más alejado de la estrella, de forma muy similar a como la gente en la Tierra siente una gravedad más fuerte que un astronauta en la Estación Espacial Internacional. Sin embargo, habría que imaginarse a un astronauta tan alto que sus pies estuvieran en la Tierra mientras su cabeza estuviera en órbita. Y la diferencia en el campo gravitatorio también sería mucho mayor. Cuando una estrella se acerca mucho al agujero negro, se estira y se desgarra. La corriente de material resultante gira alrededor del agujero negro. Parte del material estelar es capturado en órbita, creando un disco de acreción alrededor del agujero negro. Este disco se vuelve bastante brillante. En una subclase muy rara de fenómenos, también se produce un chorro relativista, que crea otra fuente de luz. A medida que el agujero negro consume el material del disco a lo largo de meses o años, el fenómeno se desvanece gradualmente.

Una estrella está siendo devorada por un agujero negro supermasivo cercano, en un evento poco común que los astrónomos llaman evento de disrupción de marea (TDE). Lo que hace que este evento, AT2022cmc, sea aún más raro es que, cuando el agujero negro desgarró la estrella, se lanzaron chorros de material que se movían casi a la velocidad de la luz. AT2022cmc, representado aquí en una impresión artística, fue el primer TDE con chorro descubierto en más de una década y el primero desde el lanzamiento de NuSTAR. La sensible observación de rayos X de banda ancha realizada por NuSTAR proporcionó datos críticos para comprender el evento. Crédito de la imagen: ESO/M.Kornmesser

Los eventos de disrupción de mareas, o TDE por sus siglas en inglés, se predijeron por primera vez en la década de 1970 y se observaron por primera vez en la década de 1990. Actualmente, se conocen aproximadamente 100 TDE, de los cuales solo cuatro son de la rara variedad TDE con chorro.

Poco después de la medianoche del 11 de febrero de 2022, la instalación transitoria Zwicky del Observatorio Palomar, en el sur de California, detectó una nueva fuente transitoria. Los datos obtenidos durante las dos noches siguientes hicieron que esta nueva fuente, AT2022cmc, fuera marcada como inusual, ya que ascendía y descendía más rápido que una supernova típica. Esto inspiró observaciones de seguimiento utilizando telescopios alrededor del planeta y en el espacio. Esos datos proporcionaron la distancia y la energía del sistema, clasificándolo finalmente como un TDE en chorro. Esta subclase de TDE es muy brillante en energías de rayos X, y solo se han detectado cuatro hasta la fecha. El TDE en chorro más reciente ocurrió hace más de una década, antes del lanzamiento de NuSTAR. NuSTAR es el primer telescopio de enfoque de alta energía, o rayos X duros en órbita, que proporciona una mejora de dos órdenes de magnitud en la sensibilidad en comparación con los instrumentos anteriores. NuSTAR amplía significativamente el rango de energías de rayos X que se pueden estudiar en detalle para los fenómenos astrofísicos. AT2022cmc brindó la primera oportunidad de estudiar este tipo de evento transitorio, raro y brillante en rayos X y motivó tres observaciones de NuSTAR en el mes posterior a su descubrimiento. 

Si bien la emisión de menor energía de los TDE con chorro se entiende relativamente bien (por ejemplo, en energías de radio, óptica y UV), la ubicación y el mecanismo que produce la emisión de rayos X brillantes en los TDE con chorro es un tema de activo debate. El escenario más popular es que los rayos X provienen de fotones menos energéticos en las bandas de radio y óptica que se dispersan por electrones relativistas energéticos en el plasma circundante hasta energías de rayos X. Este escenario predice que deberíamos ver el espectro de rayos X de alta energía como una extrapolación suave del espectro de rayos X de menor energía. Sin embargo, cuando NuSTAR observó AT2022cmc, detectó una ruptura pronunciada en el espectro de rayos X dentro de la banda NuSTAR. Esta ruptura proporciona una pista importante sobre los mecanismos de emisión de rayos X de los TDE con chorro.

En un artículo reciente publicado en el Astrophysical Journal, la Dra. Yuhan Yao de la Universidad de California, Berkeley y su equipo informan que los datos de NuSTAR y la ruptura espectral son consistentes con un fenómeno conocido como radiación sincrotrón, creada cuando partículas cargadas relativistas (es decir, electrones) se mueven a través de un fuerte campo magnético. Esto es naturalmente esperado de los chorros astrofísicos, aunque los principales modelos de TDE en chorro habían predicho que sería subdominante a la emisión dispersa hacia arriba en TDE en chorro. Al modelar los datos de rayos X, la Dra. Yao y su equipo pudieron restringir las propiedades del chorro y determinar qué parte del chorro domina su emisión de rayos X. Descubrieron que es probable que el chorro carezca de protones y, en cambio, esté dominado por electrones que se mueven en un chorro altamente magnetizado.

AT2022cmc representa un avance significativo en nuestra comprensión de los chorros relativistas en los fenómenos astrofísicos. “Los datos de NuSTAR desafían los modelos existentes y sugieren que la reconexión magnética desempeña un papel clave en la aceleración de partículas dentro de estos chorros”, señaló el Dr. Yao. Este resultado no solo arroja luz sobre el funcionamiento interno de los TDE, sino que también tiene implicaciones más amplias para la comprensión de los chorros relativistas en otras fuentes astrofísicas de alta energía, como los estallidos de rayos gamma. El Dr. Yao explicó que “en general, este trabajo contribuye a la búsqueda en curso para descifrar la composición y los mecanismos de aceleración de los chorros relativistas en el Universo”.

Publicado en NuSTAR el 21 de agosto del 2024, enlace publicación.