La dramática atenuación de una fuente de luz a ~860 millones de años luz de la Tierra confirma la precisión de un modelo detallado desarrollado por un equipo de astrofísicos, incluido el profesor Eric Coughlin de la Universidad de Syracuse.
Potentes telescopios como el Hubble de la NASA, el James Webb y los observatorios de rayos X Chandra brindan a los científicos una ventana al espacio profundo para investigar la física de los agujeros negros. Si bien uno podría preguntarse cómo se puede “ver” un agujero negro, que absorbe toda la luz, esto es posible gracias a los eventos de perturbación de mareas (TDE), en los que una estrella es destruida por un agujero negro supermasivo y una “acreción luminosa”. combustible. Llamarada”. Con luminosidades decenas de miles de millones de veces más brillantes que el Sol, los eventos de acreción permiten a los astrofísicos estudiar los agujeros negros supermasivos (SMBH) a distancias cósmicas.
Los TDE ocurren cuando una estrella es violentamente destrozada por el campo gravitacional masivo de un agujero negro. A medida que la estrella se desintegra, sus restos se transforman en una corriente de escombros que cae sobre el agujero negro, creando un disco de material muy caliente y muy brillante que orbita alrededor del agujero negro, llamado disco de acreción. Los científicos pueden estudiarlos para realizar observaciones directas de los TDE y compararlos con modelos teóricos que relacionan las propiedades físicas de las estrellas disruptivas y las observaciones de sus agujeros negros disruptivos.
Un equipo de físicos de la Universidad de Syracuse, el MIT y el Instituto Científico del Telescopio Espacial utilizó modelos detallados para predecir el brillo y la atenuación de AT2018fyk, un TDE parcial recurrente, lo que significa que el núcleo de alta densidad de la estrella ha sobrevivido a la interacción gravitacional con el SMBH. , esto permite que el agujero negro orbite y se rompa varias veces. El modelo predijo que AT2018fyk se “desmayaría” en agosto de 2023, una predicción que se confirmó cuando la fuente se apagó el verano pasado, proporcionando evidencia de que su modelo ofrece una nueva forma de sondear la física de los agujeros negros. Sus resultados se publican Cartas de diarios astrofísicos.
Una fuente de alta energía
Gracias a estudios extragalácticos increíblemente detallados, los científicos están monitoreando más fuentes de luz que nunca. Las encuestas recorren todo el hemisferio en busca de brillos o atenuaciones repentinos de las fuentes, lo que indica a los investigadores que algo ha cambiado. A diferencia del telescopio de su sala de estar, que solo puede enfocar la luz visible, los telescopios como el Chandra pueden detectar fuentes de luz denominadas espectro de rayos X emitidos por el material a millones de grados.
Tanto la luz visible como los rayos X son formas de radiación electromagnética, pero los rayos X tienen longitudes de onda más cortas y mayor energía. De la misma manera que su estufa se pone “al rojo vivo” después de encenderla, un disco de gas “brilla” a diferentes temperaturas, incluido el material más caliente más cercano al agujero negro. Sin embargo, en lugar de irradiar su energía en longitudes de onda ópticas visibles a simple vista, el gas más caliente de un disco de acreción emite espectros de rayos X. Estos son los mismos rayos X que usan los médicos para tomar fotografías de los huesos y pueden atravesar los tejidos blandos y, debido a esta relativa transparencia, los detectores utilizados por los telescopios de rayos X de la NASA están especialmente diseñados para detectar esta radiación de alta energía. ‘
Una actuación repetida
En enero de 2023, un equipo de físicos que incluía a Eric Coughlin, profesor de física en la Universidad de Syracuse, Dhiraj R. “DJ” Pasham, científico investigador del MIT, y Thomas Wevers, miembro del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, publicó un papel Cartas de revistas astrofísicas que propuso un modelo detallado para la recurrencia parcial de TDE. Sus resultados son los primeros en mapear la sorprendente órbita de retorno de una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo, revelando nueva información sobre uno de los ambientes más extremos del universo.
El equipo basó su investigación en un TDE conocido como AT2018fyk (AT significa “Transitorio Astrofísico”), donde se propuso capturar una estrella por un SMBH a través de un proceso de intercambio conocido como “captura de colinas”. Originalmente parte de un sistema binario (dos estrellas que orbitan entre sí bajo su atracción gravitacional mutua), se suponía que una estrella era capturada por el campo gravitacional del agujero negro y la otra estrella (no capturada) fue expulsada de él. centro galáctico a velocidades comparables a ~1000 km/s.
Una vez unida al SMBH, la estrella que impulsa la emisión de AT2018fyk es despojada repetidamente de su envoltura exterior a medida que pasa por su punto más cercano al agujero negro. Las capas exteriores despojadas de las estrellas forman discos de acreción brillantes, que los investigadores pueden estudiar utilizando telescopios de rayos X y ultravioleta/ópticos que observan la luz de galaxias distantes.
Si bien los TDE suelen ser “de una sola vez” porque el campo gravitacional extremo del SMBH destruye la estrella, lo que significa que el SMBH vuelve a desaparecer en la oscuridad después de la llamarada de acreción, AT2018fyk brindó una oportunidad única para investigar un TDE parcial recurrente.
El equipo de investigación utilizó un trío de telescopios para las detecciones iniciales y de seguimiento: Swift y Chandra, ambos operados por la NASA, y XMM-Newton, una misión europea. Observado por primera vez en 2018, AT2018fyk está a ~870 millones de años luz de distancia, lo que significa que en el tiempo que tarda la luz en viajar, ocurrió hace ~870 millones de años en “tiempo real”.
El equipo utilizó modelos detallados para predecir que la fuente de luz desaparecería repentinamente alrededor de agosto de 2023 y volvería a brillar en 2025, cuando el material recién despojado entrara en el agujero negro.
Validación del modelo
Confirmando la precisión de su modelo, el equipo informó una caída en el flujo de rayos X durante un período de dos meses que comenzó el 14 de agosto de 2023. Este cambio abrupto puede interpretarse como una segunda parada de emisiones.
“El cierre de emisiones observado muestra que nuestro modelo y nuestras suposiciones son válidas, y sugiere que, de hecho, estamos observando cómo una estrella es devorada lentamente por un agujero negro distante y muy masivo”, dijo Coughlin. “En nuestro artículo del año pasado, utilizamos las restricciones del estallido inicial, el desvanecimiento y el nuevo brillo, para predecir que AT2018fyk debería atenuarse repentina y rápidamente en agosto de 2023. si La estrella sobrevivió al segundo encuentro que precipitó el segundo brillo.”
El sistema mostró este apagado previsto, lo que implica varias diferencias entre estrellas y agujeros negros:
- La estrella sobrevive a su segundo encuentro con el agujero negro;
- La velocidad a la que los desechos regresan al agujero negro está fuertemente correlacionada con la luminosidad de AT2018fyk;
- Y el período orbital de la estrella alrededor del agujero negro es de ~1300 días o aproximadamente 3,5 años.
El segundo límite implica que debería ocurrir otro resurgimiento entre mayo y agosto de 2025, y si la estrella sobrevive al segundo encuentro, se predice un tercer cierre entre enero y julio de 2027.
Si podemos contar con ver un nuevo brillo en 2025, Coughlin dice que la detección de un segundo corte implica que la estrella ha sido despojada de masa nuevamente, que debería regresar al agujero negro para producir un tercer brillo.
“La única incertidumbre está en el nivel superior de las emisiones”, afirma. “El segundo pico de brillo fue considerablemente más débil que el primero y, desafortunadamente, el tercer estallido puede ser aún más débil. Esto es lo único que limitará la detección de este tercer estallido”.
Coughlin señala que este modelo apunta a una nueva e interesante forma de estudiar la increíblemente rara aparición de TDE parciales recurrentes, que se cree que ocurren una vez cada millón de años en una galaxia determinada. Hasta la fecha, afirma, los científicos han encontrado sólo cuatro o cinco sistemas que exhiben este comportamiento.
“Con la llegada de tecnologías de detección avanzadas que descubren más TDE parciales repetitivos, esperamos que este modelo sea una herramienta esencial para que los científicos identifiquen estos descubrimientos”, afirma.