Agujeros negros supermasivos devoran gas como los de masa estelar

La acreción -el proceso en que los agujeros negros evolucionan a medida que consumen material--, es independiente de su tamaño, según el análisis de un agujero negro supermasivo devorando una estrella.

El 9 de septiembre de 2018, los astrónomos vieron un destello de una galaxia a 860 millones de años luz de distancia. La fuente fue un agujero negro supermasivo de aproximadamente 50 millones de veces la masa del sol. Normalmente silencioso, el gigante gravitacional se despertó repentinamente para devorar una estrella que pasaba en un caso raro conocido como evento de disrupción marea. Cuando los escombros estelares cayeron hacia el agujero negro, liberaron una enorme cantidad de energía en forma de luz.

Investigadores del MIT, el Observatorio Europeo Austral y otros lugares utilizaron múltiples telescopios para vigilar el evento, etiquetado como AT2018fyk. Para su sorpresa, observaron que a medida que el agujero negro supermasivo consumía la estrella, exhibía propiedades similares a las de los agujeros negros de masa estelar mucho más pequeños. Los resultados se publican en Astrophysical Journal.

"Hemos demostrado que, si has visto un agujero negro, los has visto todos, en cierto sentido", dice el autor del estudio Dheeraj Pasham, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Cuando les arrojas una bola de gas, todos parecen hacer más o menos lo mismo. Son la misma bestia en términos de su acreción".

Cuando los pequeños agujeros negros de masa estelar con una masa de aproximadamente 10 veces la nuestra emiten un estallido de luz, a menudo es en respuesta a un influjo de material de una estrella compañera. Este estallido de radiación desencadena una evolución específica de la región alrededor del agujero negro. Desde la inactividad, un agujero negro pasa a una fase "blanda" dominada por un disco de acreción a medida que el material estelar se introduce en el agujero negro. A medida que la cantidad de material que afluye cae, vuelve a pasar a una fase "dura" en la que se hace cargo de una corona al rojo vivo. El agujero negro eventualmente vuelve a establecerse en una inactividad constante, y todo este ciclo de acreción puede durar de unas pocas semanas a meses.

Los físicos han observado este ciclo de acreción característico en múltiples agujeros negros de masa estelar durante varias décadas. Pero para los agujeros negros supermasivos, se pensó que este proceso llevaría demasiado tiempo para capturar por completo, ya que estos goliats son normalmente herbívoros y se alimentan lentamente de gas en las regiones centrales de una galaxia.

"Este proceso ocurre normalmente en escalas de tiempo de miles de años en agujeros negros supermasivos", dice Pasham. "Los humanos no pueden esperar tanto tiempo para capturar algo como esto".

Pero todo este proceso se acelera cuando un agujero negro experimenta una gran afluencia repentina de material, como durante un evento de disrupción de marea, cuando una estrella se acerca lo suficiente como para que un agujero negro pueda hacer trizas la marea.

"En un evento de disrupción de marea, todo es abrupto", dice Pasham. "De repente te arrojan un trozo de gas, y el agujero negro se despierta repentinamente y es como, 'vaya, hay tanta comida, déjame comer, comer, comer hasta que se acabe'". Entonces, experimenta todo en un corto período de tiempo. Eso nos permite sondear todas estas diferentes etapas de acreción que la gente ha conocido en los agujeros negros de masa estelar".

En septiembre de 2018, el All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASASSN) recogió señales de un destello repentino. Posteriormente, los científicos determinaron que la llamarada fue el resultado de un evento de disrupción de marea que involucró un agujero negro supermasivo, al que etiquetaron como TDE AT2018fyk. Pasham y sus colegas se pusieron en alerta y pudieron dirigir múltiples telescopios, cada uno entrenado para mapear diferentes bandas del espectro ultravioleta y de rayos X, hacia el sistema.

El equipo recopiló datos durante dos años, utilizando los telescopios espaciales de rayos X XMM-Newton y el Observatorio de rayos X Chandra, así como NICER, el instrumento de monitoreo de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional y el Observatorio Swift, junto con radiotelescopios en Australia.

"Capturamos el agujero negro en estado blando con un disco de acreción formándose, y la mayor parte de la emisión en ultravioleta, con muy pocas en los rayos X", dice Pasham en un comunicado. "Luego, el disco colapsa, la corona se vuelve más fuerte y ahora es muy brillante en los rayos X. Al final, no hay mucho gas del que alimentarse y la luminosidad general cae y vuelve a niveles indetectables".

Los investigadores estiman que el agujero negro produjo una disrupción de marea en una estrella del tamaño de nuestro sol. En el proceso, generó un enorme disco de acreción, de unos 12.000 millones de kilómetros de ancho, y emitió gas que estimaron en unos 40.000 grados Kelvin. A medida que el disco se volvió más débil y menos brillante, una corona de rayos X compactos de alta energía asumió el control como la fase dominante alrededor del agujero negro.