Nuevas observaciones de un agujero negro devorando una estrella revelan la rápida formación de un disco

Cuando una estrella pasa demasiado cerca de un agujero negro supermasivo, las fuerzas de marea la desgarran, produciendo un brillante destello de radiación a medida que el material de la estrella cae en el agujero negro. Los astrónomos estudian la luz de estos "eventos de alteración por mareas" (TDEs) para obtener pistas sobre el comportamiento de alimentación de los agujeros negros supermasivos que acechan en los centros de las galaxias.

Las nuevas observaciones de TDEs dirigidas por los astrónomos de la UC Santa Cruz proporcionan ahora una clara evidencia de que los escombros de la estrella forman un disco giratorio, llamado disco de acreción, alrededor del agujero negro. Los teóricos han estado debatiendo si puede formarse un disco de acreción eficientemente durante un evento de alteración por marea, y los nuevos resultados, aceptados para su publicación en la revista Astrophysical Journal, deberían ayudar a resolver esa cuestión, dijo la primera autora Tiara Hung, investigadora postdoctoral de la UC Santa Cruz.

"En la teoría clásica, las llamaradas de TDE son impulsadas por un disco de acreción, produciendo rayos X desde la región interna, donde el gas caliente se precipita en espiral hacia el agujero negro", dijo Hung. "Pero para la mayoría de los TDE, no vemos rayos X (brillan principalmente en las longitudes de onda ultravioleta y óptica) así que se sugirió que, en lugar de un disco, estamos viendo emisiones originadas en la colisión de corrientes de desechos estelares".

Los coautores Enrico Ramirez-Ruiz, profesor de astronomía y astrofísica de la UCSC, y Jane Dai, de la Universidad de Hong Kong, desarrollaron un modelo teórico, publicado en 2018, que puede explicar por qué no suelen observarse rayos X en los TDEs a pesar de la formación de un disco de acreción. Las nuevas observaciones proporcionan un fuerte apoyo a este modelo.

"Esta es la primera confirmación sólida de que se forman discos de acreción en estos eventos, incluso cuando no vemos rayos X", dijo Ramirez-Ruiz. "La región cercana al agujero negro está oscurecida por un viento ópticamente opaco, así que no vemos las emisiones de rayos X, pero sí vemos la luz óptica de un disco elíptico extendido".

Simulación por ordenador de la alteración de una estrella por un agujero negro, que muestra la formación de un disco de acreción excéntrico de material estelar cayendo en espiral hacia el agujero negro. Esta imagen de un video de la simulación muestra la etapa inicial de la formación del disco. (Foto: Jamie Law-Smith y Enrico Ramirez-Ruiz)

La evidencia reveladora de un disco de acreción proviene de observaciones espectroscópicas. El coautor Ryan Foley, profesor asistente de astronomía y astrofísica en la UCSC, y su equipo comenzaron a monitorear un TDE (llamado AT 2018hyz) después de que fuera detectado por primera vez en noviembre de 2018 por el All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN). Foley notó un espectro inusual mientras observaba el TDE con el Telescopio Shane de 3 metros en el Observatorio Lick de la UC en la noche del 1 de enero de 2019.

"Me quedé con la boca abierta, e inmediatamente supe que esto iba a ser interesante", dijo. "Lo que destacaba era la línea del hidrógeno, la emisión de gas de hidrógeno, que tenía un perfil de doble pico que no se parecía a ningún otro TDE que hubiéramos visto".

Foley explicó que el doble pico en el espectro es el resultado del efecto Doppler, que desplaza la frecuencia de la luz emitida por un objeto en movimiento. En un disco de acreción en espiral alrededor de un agujero negro y visto en ángulo, parte del material se moverá hacia el observador, por lo que la luz que emite se desplazará a una frecuencia más alta, y parte del material se alejará del observador, con lo que su luz se desplazará a una frecuencia más baja.

"Es el mismo efecto que hace que el sonido de un coche en una pista de carreras se desplace de un tono alto cuando el coche viene hacia ti a un tono más bajo cuando pasa y comienza a alejarse de ti", dijo Foley. "Si estás sentado en las gradas, los coches de una curva se mueven todos hacia ti y los coches de la otra curva se alejan de ti. En un disco de acreción, el gas se mueve alrededor del agujero negro de forma similar, y eso es lo que da los dos picos del espectro".

El equipo continuó reuniendo datos durante los siguientes meses, observando el TDE con varios telescopios a medida que evolucionaba con el tiempo. Hung dirigió un análisis detallado de los datos, que indica que la formación del disco tuvo lugar relativamente rápido, en cuestión de semanas después de la alteración de la estrella. Los resultados sugieren que la formación del disco puede ser común entre los TDE detectados ópticamente a pesar de la rareza de la emisión de doble pico, que depende de factores como la inclinación del disco en relación con los observadores.

"Creo que hemos tenido suerte con este", dijo Ramirez-Ruiz. "Nuestras simulaciones muestran que lo que observamos es muy sensible a la inclinación. Hay una orientación preferida para ver estas características de doble pico, y una orientación diferente para ver las emisiones de rayos X".

Señaló que el análisis de Hung de las observaciones de seguimiento de múltiples longitudes de onda, incluyendo datos fotométricos y espectroscópicos, proporciona una visión sin precedentes de estos eventos inusuales. "Cuando tenemos espectros, podemos aprender mucho sobre la cinemática del gas y obtener una comprensión mucho más clara del proceso de acreción y de lo que está impulsando las emisiones", dijo Ramirez-Ruiz. (Fuente: NCYT Amazings)