Los telescopios de la NASA localizan un agujero negro masivo que vaga libremente

Como si se tratara de una escena de una película de ciencia ficción, los astrónomos que utilizan telescopios de la NASA han descubierto un “Tiburón Espacial”.

Los astrónomos descubrieron que un agujero negro ha desgarrado una estrella (el llamado evento de disrupción de marea o TDE) a unos 2600 años luz del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia anfitriona del TDE, lo que indica la presencia de un segundo agujero negro de gran tamaño. La mayoría de los TDE se han detectado en los centros de galaxias donde suelen encontrarse agujeros negros supermasivos. Estas imágenes de la galaxia donde se encuentra este TDE desplazado, conocido como AT2024tvd, muestran datos de rayos X del Chandra, datos ópticos del Hubble y datos ultravioleta del Hubble. El centro de la galaxia y la posición de AT2024tvd, visible como el pequeño punto brillante en los datos ultravioleta, están etiquetados. Crédito: Rayos X: NASA/CXC/SAO/Univ. de California, Berkeley/Y. Yao et al.; Óptica/UV: NASA/ESA/STScI/HST; Procesamiento de imágenes: NASA/STScI/J. DePasquale.

Acechando a 600 millones de años luz de distancia, en las oscuras profundidades entre las estrellas, se esconde un monstruo invisible que devora cualquier estrella descarriada que se precipita hacia él. El escurridizo agujero negro delató su presencia en un evento de disrupción de marea (EDT) recientemente identificado, donde una estrella desventurada fue destrozada y engullida por una espectacular explosión de radiación. Estos eventos de disrupción son potentes sondas de la física de los agujeros negros, que revelan las condiciones necesarias para el lanzamiento de chorros y vientos cuando un agujero negro está en pleno proceso de consumir una estrella, y se observan como objetos brillantes en los telescopios.

El nuevo TDE, llamado AT2024tvd, permitió a los astrónomos localizar un agujero negro supermasivo errante utilizando el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, con observaciones de apoyo similares del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el telescopio NRAO Very Large Array que también mostró que el agujero negro está desplazado del centro de la galaxia.

El artículo se publicará en un próximo número de The Astrophysical Journal Letters.

Sorprendentemente, este agujero negro de un millón de masas solares no reside exactamente en el centro de la galaxia anfitriona, donde suelen encontrarse los agujeros negros supermasivos, y devoran activamente el material circundante. De los aproximadamente 100 eventos de TDE registrados por estudios ópticos del cielo hasta la fecha, esta es la primera vez que se identifica un TDE desplazado. El resto se asocia con los agujeros negros centrales de las galaxias.

De hecho, en el centro de la galaxia anfitriona existe un agujero negro supermasivo diferente, cuya masa es 100 millones de veces la del Sol. La precisión óptica del Hubble muestra que el TDE se encontraba a solo 2600 años luz del agujero negro más masivo en el centro de la galaxia. Eso es solo una décima parte de la distancia entre nuestro Sol y el agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea.

Este agujero negro de mayor tamaño expulsa energía al acrecentar el gas que cae sobre él, y se clasifica como un núcleo galáctico activo. Curiosamente, los dos agujeros negros supermasivos coexisten en la misma galaxia, pero no están unidos gravitacionalmente como un par binario. El agujero negro más pequeño podría eventualmente desviarse en espiral hacia el centro de la galaxia para fusionarse con el agujero negro más grande. Pero, por ahora, están demasiado separados como para estar unidos gravitacionalmente.

Un TDE ocurre cuando una estrella en caída libre se estira o se "espaguetiza" por las inmensas fuerzas de marea gravitacionales de un agujero negro. Los remanentes estelares fragmentados son atraídos hacia una órbita circular alrededor del agujero negro. Esto genera choques y flujos de salida con altas temperaturas, visibles en luz ultravioleta y visible.

“AT2024tvd es el primer TDE descentrado capturado mediante estudios ópticos del cielo, y abre la posibilidad de descubrir esta esquiva población de agujeros negros errantes con futuros estudios del cielo”, afirmó Yuhan Yao, autor principal del estudio, de la Universidad de California en Berkeley. “Actualmente, los teóricos no han prestado mucha atención a los TDE descentrados. Creo que este descubrimiento motivará a los científicos a buscar más ejemplos de este tipo de evento”.

Un destello en la noche

El agujero negro que devoraba estrellas se delató cuando varios telescopios terrestres de reconocimiento del cielo observaron una llamarada tan brillante como una supernova. Pero a diferencia de una supernova, los astrónomos saben que se originó en un agujero negro que devoraba una estrella, ya que la llamarada era muy caliente y mostraba amplias líneas de emisión de hidrógeno, helio, carbono, nitrógeno y silicio. El Observatorio de Observatorios Transitorios Zwicky del Observatorio Palomar de Caltech, con su telescopio de 1,2 metros que observa todo el cielo del norte cada dos días, fue el primero en observar el evento.

“Los eventos de disrupción de marea son muy prometedores para revelar la presencia de agujeros negros masivos que de otro modo no podríamos detectar”, afirmó Ryan Chornock, profesor adjunto asociado de la UC Berkeley y miembro del equipo del ZTF. “Los teóricos han predicho la existencia de una población de agujeros negros masivos ubicados lejos de los centros de las galaxias, pero ahora podemos usar los TDE para encontrarlos”.

La llamarada aparentemente se desplazó del centro de una galaxia masiva y brillante, según lo catalogado por el Telescopio de Rastreo Panorámico y Sistema de Respuesta Rápida Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), el Sloan Digital Sky Survey y el DESI Legacy Imaging Survey. Para determinar con mayor precisión que no se encontraba en el centro galáctico, el equipo de Yao utilizó el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA para confirmar que los rayos X provenientes del lugar de la llamarada también estaban desviados.

Se necesitó el poder de resolución del Hubble para disipar cualquier incertidumbre. La sensibilidad del Hubble a la luz ultravioleta también le permite determinar con precisión la ubicación del TDE, que es mucho más azul que el resto de la galaxia.

Esta ilustración de seis paneles de un evento de disrupción de marea alrededor de un agujero negro supermasivo muestra lo siguiente: 1) Un negro supermasivo está a la deriva dentro de una galaxia, su presencia solo detectable por lente gravitacional; 2) Una estrella descarriada es arrastrada por la intensa atracción gravitacional del agujero negro; 3) La estrella se estira o se "espaguetiza" por efectos de marea gravitacional; 4) Los restos de la estrella forman un disco alrededor del agujero negro; 5) Hay un período de acreción del agujero negro, que vierte radiación en todo el espectro electromagnético, desde rayos X hasta longitudes de onda de radio; y 6) La galaxia anfitriona, vista desde lejos, contiene un destello brillante de energía que se desplaza del núcleo de la galaxia, donde habita un agujero negro aún más masivo. Crédito: NASA, ESA, STScI, Ralf Crawford (STScI).

Origen desconocido

El agujero negro responsable del TDE merodea dentro del bulbo de la galaxia masiva. El agujero negro solo se hace visible cada pocas decenas de miles de años, cuando eructa tras capturar una estrella, y luego se aquieta de nuevo hasta que llega su siguiente alimento.

¿Cómo se descentró el agujero negro? Estudios teóricos previos han demostrado que los agujeros negros pueden ser expulsados ​​del centro de las galaxias debido a interacciones de tres cuerpos, donde el miembro de menor masa es expulsado. Este podría ser el caso, dada la proximidad del agujero negro oculto al agujero negro central. "Si el agujero negro experimentó una triple interacción con otros dos agujeros negros en el núcleo de la galaxia, aún podría permanecer ligado a ella, orbitando alrededor de la región central", afirmó Yao.

Una explicación alternativa es que el agujero negro es el remanente superviviente de una galaxia más pequeña que se fusionó con la galaxia anfitriona hace más de mil millones de años. De ser así, el agujero negro podría eventualmente desintegrarse en espiral y fusionarse con el agujero negro activo central en un futuro muy lejano. Por lo tanto, por el momento, los astrónomos desconocen si se está formando o desintegrando.

Erica Hammerstein, otra investigadora postdoctoral de UC Berkeley, analizó las imágenes del Hubble como parte del estudio, pero no encontró evidencia de una fusión de galaxias en el pasado. Sin embargo, explicó: «Ya existe evidencia sólida de que las fusiones de galaxias aumentan las tasas de TDE, pero la presencia de un segundo agujero negro en la galaxia anfitriona de AT2024tvd significa que, en algún momento del pasado de esta galaxia, debió haber ocurrido una fusión».

Especializados en diferentes tipos de luz, observatorios como el Hubble y el Chandra colaboran para identificar y comprender mejor eventos fugaces como estos. Entre los futuros telescopios que también estarán optimizados para capturar eventos transitorios como este se incluyen el Observatorio Vera C. Rubin de la Fundación Nacional de Ciencias y el próximo Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA. Estos brindarán más oportunidades para realizar observaciones de seguimiento con el Hubble y determinar la ubicación exacta de un transitorio.

El Telescopio Espacial Hubble lleva más de tres décadas en funcionamiento y continúa realizando descubrimientos revolucionarios que moldean nuestra comprensión fundamental del universo. El Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, en Greenbelt, Maryland, gestiona el telescopio y las operaciones de la misión. Lockheed Martin Space, con sede en Denver, también apoya las operaciones de la misión en el Goddard. El Instituto Científico del Telescopio Espacial de Baltimore, operado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, realiza las operaciones científicas del Hubble para la NASA.

ZTF es una asociación público-privada, con apoyo igualitario de la ZTF Partnership y de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

Crédito  Rayos-X: NASA/CXC/SAO/Univ. of California, Berkeley/Y. Yao et al.; Óptico/UV: NASA/ESA/STScI/HST; Proceso de Imagen: NASA/STScI/J. DePasquale

Publicado en Chandra el 8 de mayo del 2025, enlace publicación.