El destino final de una estrella destrozada por un agujero negro


En 2019, los astrónomos observaron el ejemplo más cercano hasta la fecha de una estrella triturada o «espaguetizada» después de acercarse demasiado a un agujero negro masivo.

Esa interrupción por marea de una estrella similar al Sol por un agujero negro 1 millón de veces más masivo que ella misma tuvo lugar a 215 millones de años luz de la Tierra. Afortunadamente, este fue el primer evento de este tipo lo suficientemente brillante como para que los astrónomos de la Universidad de California, Berkeley, pudieran estudiar la luz óptica de la muerte estelar, específicamente la polarización de la luz, para aprender más sobre lo que sucedió después de que la estrella se desgarró.

Sus observaciones del 8 de octubre de 2019 sugieren que gran parte del material de la estrella fue expulsado a alta velocidad (hasta 10 000 kilómetros por segundo) y formó una nube esférica de gas que bloqueó la mayoría de las emisiones de alta energía producidas como la estrella. agujero negro engulló el resto de la estrella.

Anteriormente, otras observaciones de la luz óptica de la explosión, llamada AT2019qiz, revelaron que gran parte de la materia de la estrella fue lanzada hacia el exterior en un poderoso viento. Pero los nuevos datos sobre la polarización de la luz, que era esencialmente cero en longitudes de onda visibles u ópticas cuando el evento estaba en su punto más brillante, les dice a los astrónomos que la nube probablemente era esféricamente simétrica.

«Esta es la primera vez que alguien ha deducido la forma de la nube de gas alrededor de una estrella espaguetificada por mareas», dijo Alex Filippenko, profesor de astronomía de UC Berkeley y miembro del equipo de investigación.

Los resultados respaldan una respuesta a por qué los astrónomos no ven radiación de alta energía, como los rayos X, de muchas de las docenas de eventos de interrupción de las mareas observados hasta la fecha: los rayos X, que son producidos por material arrancado de la estrella. y arrastrados a un disco de acreción alrededor del agujero negro antes de caer hacia adentro, quedan ocultos a la vista por el gas expulsado por los poderosos vientos del agujero negro.

«Esta observación descarta una clase de soluciones que se han propuesto teóricamente y nos da una restricción más fuerte sobre lo que sucede con el gas alrededor de un agujero negro», dijo el estudiante graduado de UC Berkeley, Kishore Patra, autor principal del estudio. «La gente ha estado viendo otra evidencia de viento proveniente de estos eventos, y creo que este estudio de polarización definitivamente fortalece esa evidencia, en el sentido de que no obtendrías una geometría esférica sin tener una cantidad suficiente de viento. El hecho interesante aquí está que una fracción significativa del material en la estrella que está girando en espiral hacia adentro no cae eventualmente en el agujero negro, es expulsado del agujero negro».

La polarización revela simetría

Muchos teóricos han planteado la hipótesis de que los desechos estelares forman un disco asimétrico excéntrico después de la ruptura, pero se espera que un disco excéntrico muestre un grado relativamente alto de polarización, lo que significaría que tal vez un porcentaje importante de la luz total está polarizada. Esto no se observó para este evento de interrupción de la marea.

«Una de las cosas más locas que puede hacer un agujero negro supermasivo es destrozar una estrella con sus enormes fuerzas de marea», dijo el miembro del equipo Wenbin Lu, profesor asistente de astronomía de UC Berkeley. «Estos eventos de interrupción de mareas estelares son una de las pocas formas en que los astrónomos conocen la existencia de agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias y miden sus propiedades. Sin embargo, debido al costo computacional extremo en la simulación numérica de tales eventos, los astrónomos aún no entienden la Procesos complicados después de una interrupción de la marea».

Si una estrella (rastro rojo) se acerca demasiado a un agujero negro (izquierda), puede ser triturada o espaguetizada por la intensa gravedad. Parte de la materia de la estrella se arremolina alrededor del agujero negro, como agua por un desagüe, emitiendo una gran cantidad de rayos X (azul). Estudios recientes de estos llamados eventos de interrupción de las mareas sugieren que una fracción significativa del gas de la estrella también es expulsada por los intensos vientos del agujero negro, en algunos casos creando una nube que oscurece el disco de acreción y los eventos de alta energía que ocurren dentro. . Crédito: NASA/CXC/M. Weiss

Un segundo conjunto de observaciones el 6 de noviembre, 29 días después de la observación de octubre, reveló que la luz estaba ligeramente polarizada, alrededor del 1%, lo que sugiere que la nube se había adelgazado lo suficiente como para revelar la estructura de gas asimétrica alrededor del agujero negro. Ambas observaciones provinieron del telescopio Shane de 3 metros en el Observatorio Lick cerca de San José, California, que está equipado con el espectrógrafo Kast, un instrumento que puede determinar la polarización de la luz en todo el espectro óptico. La luz se polariza (su campo eléctrico vibra principalmente en una dirección) cuando dispersa electrones en la nube de gas.

«El disco de acreción en sí es lo suficientemente caliente como para emitir la mayor parte de su luz en rayos X, pero esa luz tiene que pasar a través de esta nube, y hay muchas dispersiones, absorciones y reemisiones de luz antes de que pueda escapar de esta nube». Patra dijo. «Con cada uno de estos procesos, la luz pierde algo de su energía fotónica, descendiendo hasta las energías ultravioleta y óptica. La dispersión final determina el estado de polarización del fotón. Entonces, al medir la polarización, podemos deducir la geometría de la superficie donde ocurre la dispersión final».

Patra señaló que este escenario del lecho de muerte puede aplicarse solo a las interrupciones normales de las mareas, no a las «bolas raras», en las que los chorros relativistas de material son expulsados ​​​​por los polos del agujero negro. Solo más mediciones de la polarización de la luz de estos eventos responderán esa pregunta.

«Los estudios de polarización son muy desafiantes, y muy pocas personas en todo el mundo están lo suficientemente versadas en la técnica para utilizar esto», dijo. «Entonces, este es un territorio desconocido para los eventos de interrupción de las mareas».

Patra, Filippenko, Lu y el investigador de UC Berkeley Thomas Brink, el estudiante graduado Sergiy Vasylyev y el becario postdoctoral Yi Yang informaron sus observaciones en un artículo que ha sido aceptado para su publicación en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Una nube 100 veces más grande que la órbita de la Tierra

Los investigadores de UC Berkeley calcularon que la luz polarizada se emitió desde la superficie de una nube esférica con un radio de aproximadamente 100 unidades astronómicas (au), 100 veces más lejos de la estrella que la Tierra del sol. Un brillo óptico de gas caliente emanó de una región a alrededor de 30 au.

Las observaciones espectropolarimétricas de 2019, una técnica que mide la polarización en muchas longitudes de onda de luz, fueron de AT2019qiz, un evento de interrupción de marea ubicado en una galaxia espiral en la constelación de Eridanus. La polarización cero de todo el espectro en octubre indica una nube de gas esféricamente simétrica: todos los fotones polarizados se equilibran entre sí. La ligera polarización de las mediciones de noviembre indica una pequeña asimetría. Debido a que estas interrupciones de marea ocurren tan lejos, en los centros de galaxias distantes, aparecen solo como un punto de luz, y la polarización es una de las pocas indicaciones de las formas de los objetos.

“Estos eventos de interrupción están tan lejos que realmente no se pueden resolver, por lo que no se puede estudiar la geometría del evento o la estructura de estas explosiones”, dijo Filippenko. «Pero estudiar la luz polarizada en realidad nos ayuda a deducir cierta información sobre la distribución de la materia en esa explosión o, en este caso, cómo se forma el gas, y posiblemente el disco de acreción, alrededor de este agujero negro».

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