Los astrónomos han descubierto casi 100 ejemplos de agujeros negros masivos triturando y devorando estrellas, casi todos donde esperarías encontrar agujeros negros masivos: en los núcleos densos en estrellas de galaxias masivas.
La Universidad de California, Berkeley, los astrónomos ahora han descubierto la primera instancia de un enorme agujero negro destrozando una estrella a miles de años de luz del núcleo de la galaxia, que contiene un agujero negro masivo.
El agujero negro fuera del centro, que tiene una masa aproximadamente 1 millón de veces que el sol del sol, se escondía en las regiones externas del bulto central de la galaxia, pero se reveló a través de explosiones de luz generadas por la espaguetificación de la estrella, un llamado evento de interrupción de marea, o TDE. En un TDE, la inmensa gravedad de un agujero negro tira de una estrella, similar a la forma en que la luna eleva las mareas oceánicas en la tierra, pero mucho más violentamente.
«La ubicación clásica donde esperas que se encuentren agujeros negros masivos en una galaxia se encuentran en el centro, como nuestro sag a* en el centro de la Vía Láctea», dijo Yuhan Yao, un miembro posdoctoral de Miller en UC Berkeley, autor principal de un documento sobre el descubrimiento recientemente aceptado para publicar por publicación. The Astrophysical Journal Letters (APJL). «Ahí es donde las personas normalmente buscan eventos de interrupción de las mareas. Pero este, no está en el centro. En realidad, está a unos 2.600 años luz de distancia. Ese es el primer TDE fuera de nuclear descubierto ópticamente descubierto».
El agujero negro masivo central de la galaxia, aproximadamente 100 millones de veces la masa de nuestro sol, también se está ateniendo, pero en gas que se ha acercado demasiado para escapar.
Los estudios de agujeros negros masivos en los centros galácticos cuentan a los astrónomos sobre la evolución de galaxias como la nuestra, que tiene un agujero negro central, llamado Saga* debido a su ubicación dentro de la constelación Sagitario, con un peso de 4 millones de masas solares. Algunas de las galaxias más grandes tienen agujeros negros centrales que pesan varios 100 mil millones de masas solares, presumiblemente el resultado de la fusión de muchos agujeros negros más pequeños.
Encontrar dos agujeros negros masivos en el centro de una galaxia no es sorprendente. Se cree que la mayoría de las galaxias grandes tienen agujeros negros masivos en sus núcleos, y dado que las galaxias a menudo chocan y se fusionan a medida que se mueven por el espacio, las grandes galaxias ocasionalmente deberían albergar más de un agujero negro supermasivo, al menos hasta que chocan y se fusionan en un agujero negro aún más grande. Por lo general, se esconden en modo sigiloso hasta que revelan su presencia agarrando estrellas cercanas o nubes de gas, creando una explosión de luz de corta duración. Sin embargo, estos son eventos raros. Los astrónomos calculan que un agujero negro masivo encontraría una estrella una vez cada 30,000 años, en promedio.
El nuevo TDE, denominado AT2024TVD, fue detectado por la instalación transitoria Zwicky, una cámara óptica montada en un telescopio en el Observatorio Palomar cerca de San Diego, y confirmada por observaciones con radio, rayos X y otros telescopios ópticos, incluido el telescopio espacial Hubble de la NASA.
«Los agujeros negros masivos siempre están en los centros de las galaxias, pero sabemos que las galaxias se fusionan, así es como crecen las galaxias. Y cuando tienes dos galaxias que se unen y se convierten en una, tienes múltiples agujeros negros», dijo el coautor Ryan Chornock, profesor de astronomía asociado de UC Berkeley. «Ahora, ¿qué sucede? Esperamos que eventualmente se unan, pero los teóricos han predicho que debería haber una población de agujeros negros que deambulan dentro de las galaxias».
El descubrimiento de uno de esos agujeros negros itinerantes muestra que las búsquedas sistemáticas para la firma de un TDE podrían aumentar los agujeros negros más deshonestos. El hallazgo también valida los planes para una misión espacial llamada Lisa, la antena espacial del interferómetro láser, que buscará ondas gravitacionales de fusiones de agujeros negros masivos como estos.
«Esta es la primera vez que realmente vemos enormes agujeros negros tan cerca usando TDES», dijo la coautora Raffaella Marguti, profesora asociada de astronomía y física de la UC Berkeley. «Si estos son un par de agujeros negros supermasivos que se están acercando, lo cual no es necesariamente cierto, pero si lo son, podrían fusionar y emitir ondas gravitacionales que veremos en el futuro con Lisa».
Lisa complementará los detectores de ondas gravitacionales en tierra, como Ligo y Virgo, que son sensibles a la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones que pesan menos de unos pocos cientos de veces la masa de nuestro sol, y los estudios telescópicos de los destellos de pulsar, como el experimento de la vía de tiempo de las calmeras solares de los negros nanogravas de las masas solares de la vía de las masas solares. El punto dulce de Lisa es agujeros negros de varios millones de masas solares. Lisa está programada para ser lanzada en la próxima década.
Arrebatos transitorios
Debido a que los agujeros negros son invisibles, los científicos solo pueden encontrarlos detectando la luz producida cuando destrozan estrellas o nubes de gas y crean un disco de material brillante, caliente y giratorio que gradualmente cae hacia adentro. Los TDE son poderosas sondas de física de acreción de agujeros negros, dijo Chornock, revelando cómo el material cercano puede llegar al agujero negro antes de ser capturado y las condiciones necesarias para que los agujeros negros lanzarán poderosos aviones y vientos.
La búsqueda más productiva de TDES ha utilizado datos de la instalación transitoria Zwicky, originalmente construida para detectar explosiones de supernova, pero también sensibles a otros destellos en el cielo.
El ZTF ha descubierto casi 100 TDE desde 2018, todo dentro de los núcleos de las galaxias. Los satélites de rayos X también han detectado algunos TDE, incluidas dos en las afueras de una galaxia que también tiene un agujero negro central. En esas galaxias, sin embargo, los agujeros negros están demasiado separados para fusionarse. El agujero negro recién descubierto está lo suficientemente cerca del enorme agujero negro del núcleo para caer hacia él y fusionarse, aunque no por miles de millones de años.
Yao señaló que dos escenarios alternativos podrían explicar la presencia del agujero negro errante en AT2024TVD. Podría ser del núcleo de una pequeña galaxia que se fusionó con la galaxia más grande hace mucho tiempo y se está moviendo a través de la galaxia más grande al salir o se ha unido a la galaxia en una órbita que, eventualmente, puede acercarlo lo suficiente como para fusionarse con el agujero negro en el núcleo.
Erica Hammerstein, otra investigadora postdoctoral de UC Berkeley, examinó las imágenes del Hubble como parte del estudio, pero no pudo encontrar evidencia de una fusión pasada de Galaxy.
AT2024TVD también podría ser un ex miembro de un triplete de agujeros negros que solían estar en el núcleo galáctico. Debido a la naturaleza caótica de las órbitas de tres cuerpos, uno habría sido expulsado del núcleo para deambular por la galaxia.
Buscando galaxias para agujeros negros fuera del centro
Debido a que el ZTF detecta cientos de destellos de luz alrededor del cielo del norte cada año, las búsquedas de TDE hasta la fecha se han centrado en destellos descubiertos cerca de los núcleos de las galaxias, dijo Yao. Ella y Chornock crearon un algoritmo para distinguir entre la luz producida por una supernova y un TDE, y lo emplearon para buscar a través de las aproximadamente 10,000 detecciones de ZTF hasta la fecha para encontrar explosiones de luz en el centro galáctico que se ajustan a las características de un TDE.
«Las supernovas se enfrían después de alcanzar su punto máximo, y su color se vuelve más rojo», dijo Yao. «Los TDE permanecen calientes durante meses o años y tienen colores azules constantemente azules a lo largo de su evolución».
Los TDE también exhiben amplias líneas de emisión de hidrógeno, helio, carbono, nitrógeno y silicio.
En agosto pasado, el equipo de Berkeley descubrió un eructo de luz que parecía un TDE, pero su ubicación parecía descentrada, aunque dentro de los límites de resolución del ZTF. Los investigadores sospecharon que el agujero negro estaba realmente fuera del centro e inmediatamente solicitaron tiempo en varios telescopios para identificar su ubicación. Estos incluyeron el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, la matriz muy grande y el telescopio espacial Hubble. Todos confirmaron su ubicación fuera del nucleus, con HST proporcionando una distancia de aproximadamente 2,600 años luz, aproximadamente una décima parte de la distancia entre nuestro sol y SAG A*.
Aunque cerca del agujero negro central, el agujero negro no nuclear no está unido gravitacionalmente. Debido a que el agujero negro en el núcleo arroja energía a medida que acumula el gas infalible, se clasifica como un núcleo galáctico activo.
Yao y su equipo esperan encontrar otros TDE roaming, lo que dará a los astrónomos una idea de la frecuencia con la que las galaxias y sus agujeros negros centrales se fusionan y, por lo tanto, cuánto tiempo lleva formar algunos de los agujeros negros extremos y supermasivos.
«AT2024TVD es el primer TDE compensado capturado por las encuestas ópticas del cielo, y abre toda la posibilidad de descubrir esta escurridiza población de agujeros negros errantes con futuras encuestas de cielo», dijo Yao. «En este momento, los teóricos no han prestado mucha atención a los TDE compensados. Principalmente predicen tasas para TDE que ocurren en los Centros de Galaxias. Creo que este descubrimiento realmente las motiva a calcular las tasas para compensar TDE también».
Los 34 coautores que contribuyeron al documento provienen de instituciones en los Estados Unidos, Reino Unido, Suecia, Rusia, Alemania, Australia y los Países Bajos. ZTF es una asociación público-privada, con el mismo apoyo de la Asociación ZTF y la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos.
