Un equipo de investigadores ha logrado importantes avances en la comprensión de cómo (y cuándo) un agujero negro supermasivo obtiene y luego consume material utilizando nuevos datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y del Observatorio Swift de Neil Gehrels, así como del XMM-Newton de la ESA.
Un artículo que describe estos resultados aparece en el servidor de preimpresión de arXiv y se publicará en The Astrophysical Journal. Los autores son Dheeraj Passam (Instituto Tecnológico de Massachusetts), Eric Coughlin (Universidad de Syracuse), Muryel Guolo (Universidad Johns Hopkins), Thomas Wevers (Instituto Científico del Telescopio Espacial), Chris Nixon (Universidad de Leeds, Reino Unido), Jason Hinkle (Universidad de Hawái en Manoa) y Ananaya Bandopadhyay (Syracuse).
Esta impresión artística de arriba muestra una estrella que ha sido parcialmente perturbada por un agujero negro de este tipo en el sistema conocido como AT2018fyk. El agujero negro supermasivo de AT2018fyk (con una masa de aproximadamente 50 millones de veces la del Sol) se encuentra en el centro de una galaxia situada a unos 860 millones de años luz de la Tierra.
Los astrónomos han determinado que una estrella se encuentra en una órbita muy elíptica alrededor del agujero negro de AT2018fyk, de modo que su punto de aproximación más lejano al agujero negro es mucho más grande que su punto más cercano. Durante su aproximación más cercana, las fuerzas de marea del agujero negro extraen algo de material de la estrella, lo que produce dos colas de marea de «escombros estelares».
La ilustración muestra un punto en la órbita poco después de que la estrella se destruye parcialmente, cuando las colas de marea todavía están muy cerca de la estrella. Más adelante en la órbita de la estrella, el material desmembrado regresa al agujero negro y pierde energía, lo que lleva a un gran aumento en el brillo de rayos X que ocurre más adelante en la órbita (no se muestra aquí).
Este proceso se repite cada vez que la estrella regresa a su punto de aproximación más cercano, lo que ocurre aproximadamente cada 3,5 años. La ilustración muestra la estrella durante su segunda órbita y el disco de gas emisor de rayos X alrededor del agujero negro que se produce como subproducto del primer encuentro de marea.
Los investigadores tomaron nota de AT2018fyk en 2018, cuando el sondeo óptico terrestre ASAS-SN detectó que el sistema se había vuelto mucho más brillante. Después de observarlo con NICER y Chandra de la NASA, y XMM-Newton, los investigadores determinaron que el aumento de brillo se debió a un «evento de disrupción de marea» o TDE, que indica que una estrella fue completamente destrozada y parcialmente ingerida después de volar demasiado cerca de un agujero negro. Los datos de Chandra de AT2018fyk se muestran en el recuadro de una imagen óptica de un campo de visión más amplio.
Cuando el material de la estrella destruida se acercó al agujero negro, se calentó y produjo rayos X y luz ultravioleta (UV). Estas señales luego se desvanecieron, lo que concuerda con la idea de que no quedaba nada de la estrella para que el agujero negro pudiera digerir.
Sin embargo, unos dos años después, los rayos X y la luz ultravioleta de la galaxia volvieron a ser mucho más brillantes. Según los astrónomos, esto significa que la estrella probablemente sobrevivió al agarre gravitacional inicial del agujero negro y luego entró en una órbita altamente elíptica con el agujero negro. Durante su segundo acercamiento al agujero negro, se desprendió más material y se produjeron más rayos X y luz ultravioleta.
Estos resultados se publicaron en un artículo de 2023 en Astrophysical Journal Letters dirigido por Thomas Wevers del Space Telescope Science Institute en Baltimore.
«Inicialmente pensamos que se trataba de un caso típico de un agujero negro que destroza por completo una estrella», dijo Wevers. «Pero, en cambio, la estrella parece estar viva para morir otro día».
Basándose en lo que habían aprendido sobre la estrella y su órbita, Wevers y su equipo predijeron que la segunda comida del agujero negro terminaría en agosto de 2023, y solicitaron tiempo de observación de Chandra para comprobarlo.
«La señal reveladora de que este aperitivo estelar terminará sería una caída repentina de los rayos X y eso es exactamente lo que vemos en nuestras observaciones de Chandra el 14 de agosto de 2023», dijo Dheeraj Pasham, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, el líder del nuevo artículo sobre estos resultados. «Nuestros datos muestran que en agosto del año pasado, el agujero negro estaba básicamente limpiándose la boca y alejándose de la mesa».
Los nuevos datos obtenidos por Chandra y Swift después de que se completara el artículo de 2023 brindan a los investigadores una estimación aún mejor de cuánto tarda la estrella en completar una órbita y los tiempos de comida futuros para el agujero negro. Determinaron que la estrella realiza su aproximación más cercana al agujero negro aproximadamente una vez cada tres años y medio.
«Creemos que una tercera comida del agujero negro, si es que queda algo de la estrella, comenzará entre mayo y agosto de 2025 y durará casi dos años», dijo Eric Coughlin, coautor del nuevo artículo, de la Universidad de Syracuse en Nueva York. «Probablemente será más un refrigerio que una comida completa porque la segunda comida fue más pequeña que la primera y la estrella se está reduciendo».
Los autores creen que la estrella condenada originalmente tenía otra estrella como compañera mientras se acercaba al agujero negro. Sin embargo, cuando el par estelar se acercó demasiado al agujero negro, la gravedad del agujero negro separó a las dos estrellas. Una entró en órbita con el agujero negro y la otra fue arrojada al espacio a gran velocidad.
«La estrella condenada se vio obligada a hacer un cambio drástico en sus compañeras: de otra estrella a un agujero negro gigante», dijo el coautor Muryel Guolo de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. «Su compañera estelar escapó, pero él no».
El equipo planea seguir a AT2018fyk durante el mayor tiempo posible para estudiar el comportamiento de un sistema tan exótico.
Con información de arXiv
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