Los restos “tambaleantes” de una estrella que sufrió una muerte espantosa en las fauces de un agujero negro supermasivo han ayudado a revelar la velocidad a la que gira su depredador cósmico. Se cree que los agujeros negros supermasivos nacen de fusiones sucesivas de agujeros negros más pequeños, cada uno de los cuales trae consigo un momento angular que acelera la rotación del agujero negro que generan. En consecuencia, medir el giro de los agujeros negros supermasivos puede brindar información sobre su historia, y una nueva investigación ofrece una nueva forma de hacer tales inferencias basadas en el efecto que los agujeros negros giratorios tienen en la estructura misma del espacio y el tiempo.
La estrella condenada en el centro de esta investigación fue destrozada de manera brutal por un agujero negro supermasivo durante el llamado evento de perturbación de marea (TDE). Estos eventos se desencadenan cuando una estrella se acerca demasiado a la influencia gravitacional masiva de un agujero negro. Una vez lo suficientemente cerca, se generan inmensas fuerzas de marea dentro de la estrella, que la aplastan horizontalmente mientras la estiran verticalmente. Eso se llama “espaguetificación” y es un proceso que convierte la estrella en una hebra de pasta estelar, pero, lo que es más importante, no toda ella es devorada por el destructivo agujero negro.
Parte de este material es arrastrado por el viento, mientras que otra parte se envuelve alrededor del agujero negro, formando una nube aplanada llamada disco de acreción. Este disco de acreción no sólo alimenta gradualmente el agujero negro central, sino que las mismas fuerzas de marea que destrozaron la estrella en primer lugar también provocan fuerzas de fricción masivas que calientan esta fuente de gas y polvo, haciendo que brille intensamente.
Además, cuando los agujeros negros supermasivos giran, arrastran consigo el tejido mismo del espacio-tiempo (una unidad tetradimensional de espacio y tiempo). Este efecto llamado “Lense-Thirring” o “frame-dragging” significa que nada permanece quieto en el borde de un agujero negro supermasivo que gira. El efecto también provoca una “bamboleo” de corta duración en el disco de acreción de un agujero negro recién formado. Ahora, un equipo de investigadores ha descubierto que el “bamboleo” de ese disco de acreción puede usarse para determinar qué tan rápido gira el agujero negro central.
“El arrastre de fotogramas es un efecto presente en todos los agujeros negros que giran”, dijo a Space.com el líder del equipo Dheeraj “DJ” Pasham, científico del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). “Entonces, si el agujero negro perturbador está girando, entonces el flujo de desechos estelares hacia el agujero negro después de un TDE está sujeto a este efecto”.
¡Santa pasta estelar de rayos X caliente!
Para investigar los TDE y el frame-dragging, el equipo pasó cinco años buscando ejemplos brillantes y relativamente cercanos de asesinatos estelares inducidos por agujeros negros a los que se les pudiera dar seguimiento rápidamente. El objetivo era detectar signos de precesión del disco de acreción causada por el efecto Lense-Thirring.
En febrero de 2020, esta búsqueda dio frutos. El equipo logró detectar AT2020ocn, un brillante destello de luz proveniente de una galaxia ubicada a unos mil millones de años luz de distancia. AT2020ocn fue detectado inicialmente en longitudes de onda de luz óptica por la Instalación Transitoria de Zwicky, y estos datos de luz visible indican que la emisión se originó a partir de un TDE que involucra un agujero negro supermasivo con una masa entre 1 millón y 10 millones de veces la del sol.
“Debido al efecto Lense-Thirring, la emisión de rayos X procedente del disco de acreción caliente recién formado se produce en precesión o ‘bamboleo’. Esto se manifiesta como modulaciones de rayos X en los datos”, dijo Pasham. “Sin embargo, después de un tiempo, cuando la fuerza de acreción disminuye, la gravedad obliga al disco a alinearse con el agujero negro, después de lo cual cesa el bamboleo y las modulaciones de rayos X”.
Pasham y sus colegas sospecharon que el TDE que lanzó AT2020ocn podría ser el evento ideal en torno al cual buscar la precesión Lense-Thirring, y debido a que este tipo de oscilación solo está presente poco después de que se forma un disco de acreción, tuvieron que actuar rápidamente.
“La clave era tener las observaciones correctas”, dijo Pasham. “La única manera de hacer esto es que, tan pronto como se produzca una alteración de las mareas, sea necesario conseguir un telescopio para observar este objeto continuamente, durante un tiempo muy largo, de modo que se puedan explorar todo tipo de escalas de tiempo, desde minutos hasta a meses”.
Ahí es donde entra en juego el Explorador de Composición Interior de Estrellas de Neutrones (NICER) de la NASA: un telescopio de rayos X situado en la Estación Espacial Internacional (ISS) que mide la radiación de rayos X alrededor de agujeros negros y otros objetos masivos ultradensos y compactos como estrellas de neutrones. El equipo descubrió que NICER no sólo pudo captar el TDE, sino que el telescopio de rayos X montado en la ISS también pudo monitorear continuamente el evento a medida que se desarrollaba durante varios meses.
“Descubrimos que el brillo de los rayos X y la temperatura de la región que emite rayos X después de un TDE se modulan en una escala de tiempo de 15 días”, dijo Pasham. “Esta señal de rayos X recurrente de 15 días desapareció después de tres meses”.
Los hallazgos del equipo también fueron una sorpresa.
Las estimaciones de la masa del agujero negro y la masa de la estrella rota revelaron que el agujero negro no giraba tan rápido como se esperaba. “Fue un poco sorprendente que el agujero negro no girara tan rápido, sólo a menos del 25% de la velocidad de la luz”, dijo Pasham.
Pasham cree que, gracias al próximo Observatorio Vera C. Rubin, actualmente en construcción en el norte de Chile y que llevará a cabo un estudio del universo de 10 años llamado Legacy Survey of Space and Time (LSST), el futuro es brillante para la caza de TDE.
“Se espera que Rubin detecte miles de TDE durante la próxima década. Si podemos medir la precesión de Lense-Thirring incluso en una pequeña fracción de ellos, podremos decir algo sobre la distribución de giro de los agujeros negros supermasivos, que se combina con cómo evolucionaron a lo largo de la edad del universo”, concluyó Pasham. “Nuestro equipo tiene un par de propuestas de observación preparadas para dar seguimiento a futuros TDE. ¡Seguramente investigaremos el arrastre de cuadros alrededor de otros agujeros negros TDE!”
La investigación del equipo fue publicada el miércoles 22 de mayo en la revista Nature.
Fuente: Live Science.
