El reloj cósmico decodificado en patrones de energía de agujeros negros

Los agujeros negros, tradicionalmente esquivos e invisibles, se están revelando mediante la observación de eventos de perturbación de mareas (TDE), en los que las estrellas son destruidas violentamente, generando llamaradas brillantes observables desde grandes distancias.

La dramática atenuación de una fuente de luz a unos 860 millones de años luz de la Tierra confirma la precisión de un modelo detallado desarrollado por un equipo de astrofísicos de la Universidad de Syracuse, de mi cuerpoy el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial.

Comprender los agujeros negros a través de TDE

Potentes telescopios como NASALos observatorios de rayos X Hubble, James Webb y Chandra ofrecen a los científicos una ventana al espacio profundo para investigar la física de los agujeros negros. Si bien quizás te preguntes cómo puedes «ver» una agujero negroque absorbe toda la luz, esto es posible gracias a los eventos de destrucción por mareas (TDE, por sus siglas en inglés), en los que una estrella es destruida por un agujero negro supermasivo y puede provocar una “llamarada de acreción luminosa”. Con luminosidades billones de veces más brillantes que el Sol, los eventos de acreción permiten a los astrofísicos estudiar los agujeros negros supermasivos (SMBH) a distancias cosmológicas.

Los TDE ocurren cuando una estrella es violentamente destrozada por el inmenso campo gravitacional de un agujero negro. Cuando la estrella se corta, sus restos se convierten en una corriente de escombros que vuelve a llover sobre el agujero negro para formar un disco de material muy caliente y muy brillante que gira alrededor del agujero negro, llamado disco de acreción. Los científicos pueden estudiarlos para realizar observaciones directas de los TDE y compararlos con modelos teóricos para relacionar las observaciones con las propiedades físicas de las estrellas destruidas y sus agujeros negros destructores.

Avances en la investigación de agujeros negros

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 el oscurecimiento de AT2018fyk, que es un TDE parcial repetido, lo que significa que la densidad del núcleo de alta energía de la estrella sobrevivió a la interacción gravitacional. con el SMBH, lo que le permitirá orbitar el agujero negro y ser cortado más de una vez.

El modelo predijo que AT2018fyk se «desvanecería» en agosto de 2023, una predicción que se confirmó cuando la fuente se cerró el verano pasado, proporcionando evidencia de que su modelo ofrece una nueva forma de investigar la física de los agujeros negros. Sus resultados fueron publicados en EL Cartas de la revista de astrofísica..

Una fuente de alta energía

Gracias a estudios extragalácticos increíblemente detallados, los científicos están rastreando más fuentes de luz que llegan y salen que nunca. Las investigaciones exploran hemisferios enteros en busca de aumentos repentinos de brillo o atenuación de las fuentes, que indiquen 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 en lo que se llama el espectro de rayos X emitido por material que tiene una temperatura de millones de grados.

La luz visible y los rayos X son formas de radiación electromagnética, pero los rayos X tienen longitudes de onda más cortas y más energía. De manera similar a la forma en que una estufa se «calienta» después de encenderla, el gas que forma un disco «brilla» a diferentes temperaturas, con el material más caliente más cerca del agujero negro. Sin embargo, en lugar de irradiar su energía en longitudes de onda ópticas visibles para el ojo, el gas más caliente en un disco de acreción emite en el espectro de rayos X. Estos son los mismos rayos X que usan los médicos para crear imágenes de sus huesos y que pueden pasar. a través del tejido blando, y debido a esta relativa transparencia, los detectores utilizados por los telescopios de rayos X de la NASA están diseñados específicamente para detectar esta radiación de alta energía.

Una repetición de la actuación.

En enero de 2023, un equipo de físicos, incluido Eric Coughlin, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Syracuse, Dheeraj R. «DJ» Pasham, científico investigador del MIT, y Thomas Wevers, miembro del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial. , publicó un artículo en Las cartas de la revista de astrofísica que propuso un modelo detallado para un TDE parcial repetido. Sus resultados fueron 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 entornos más extremos del cosmos.

El equipo basó su estudio en un TDE conocido como AT2018fyk (AT significa «Transitorio Astrofísico»), en el que se propuso capturar una estrella por un SMBH a través de un proceso de intercambio conocido como «captura de Hills». Originalmente parte de un sistema binario (dos estrellas que orbitan entre sí bajo su atracción gravitacional mutua), se planteó la hipótesis de que una de las estrellas fue capturada por el campo gravitacional del agujero negro y que la otra estrella (no capturada) había sido expulsada del centro. de la galaxia a velocidades comparables a ~ 1000 km/s.

Una vez unida al SMBH, la estrella que impulsa la emisión de AT2018fyk fue despojada repetidamente de su capa exterior cada vez que pasó por su aproximación más cercana al agujero negro. Las capas exteriores despojadas de la estrella forman el brillante disco de acreción, 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 «únicos» 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 ofreció la oportunidad única de sondear un TDE parcial repetido.

El equipo de investigación utilizó un trío de telescopios para realizar las detecciones iniciales y posteriores: Swift y Chandra, ambos operados por la NASA, y XMM-Newton, que es una misión europea. Observado por primera vez en 2018, AT2018fyk se encuentra a unos 860 millones de años luz de distancia, lo que significa que, debido al tiempo que tarda la luz en viajar, ocurrió en «tiempo real» hace unos 860 millones de años.

El equipo utilizó modelos detallados para predecir que la fuente de luz desaparecería repentinamente alrededor de agosto de 2023 y volvería a brillar cuando el material recién despojado se vertiera en el agujero negro en 2025.

Explorando el futuro: predicciones e implicaciones

Confirmando la precisión de su modelo, el equipo informó de una caída en el flujo de rayos X durante dos meses, a partir del 14 de agosto de 2023. Este cambio repentino puede interpretarse como la segunda interrupción de las emisiones.

«La alteración observada de las emisiones muestra que nuestro modelo y nuestras hipótesis son válidos y sugiere que, en efecto, estamos observando una estrella que está siendo devorada lentamente por un agujero negro distante y muy masivo», afirma Coughlin. “En nuestro artículo del año pasado, utilizamos las restricciones iniciales de ráfaga, atenuación y reencendido para predecir que AT2018fyk debería mostrar una atenuación repentina y rápida en agosto de 2023. Si la estrella sobrevivió al segundo encuentro que alimentó el segundo brillo».

El hecho de que el sistema exhibiera este apagado previsto implica, por lo tanto, varias distinciones entre la estrella y el agujero negro:

• la estrella sobrevivió al segundo encuentro con el agujero negro;
• la velocidad con la que los escombros retirados regresan al agujero negro está estrechamente relacionada con el brillo de AT2018fyk;
• y el período orbital de la estrella alrededor del agujero negro es de unos 1.300 días, o unos 3,5 años.

El segundo límite implica que se espera que se produzca otra recuperación del brillo entre mayo y agosto de 2025 y, si la estrella sobrevive al segundo encuentro, se prevé que se produzca un tercer apagado entre enero y julio de 2027.

En cuanto a la posibilidad de ver un nuevo aumento de brillo en 2025, Coughlin dice que la detección de un segundo borde implica que recientemente se ha despojado más masa de la estrella, que tendría que regresar al agujero negro para producir un tercer aumento de brillo.

«La única incertidumbre está en el pico de emisión», afirma. «El segundo pico reiluminado era notablemente más tenue que el primero y, lamentablemente, es posible que el tercer estallido sea aún más tenue. Esto es lo único que limitaría la detectabilidad de este tercer estallido».

Coughlin señala que este modelo representa una nueva e interesante forma de estudiar las increíblemente raras apariciones de TDE parciales repetidas, 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 una tecnología de detección mejorada que descubre más TDE parciales repetidos, anticipamos que este modelo será una herramienta esencial para que los científicos identifiquen estos hallazgos», afirma.

Referencia: “Un posible segundo cierre de AT2018fyk: una efeméride orbital actualizada de la estrella sobreviviente bajo el paradigma del evento de interrupción parcial repetida de las mareas” por Dheeraj Pasham, E.R. Coughlin, M. Guolo, T. Wevers, C.J. Nixon, Jason T. Hinkle y A. Bandopadhyay, 14 de agosto de 2024, Las cartas de la revista de astrofísica.
Número de referencia: 10.3847/2041-8213/ad57b3