El evento más lejano de agujero negro que engulle a una estrella

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Las estrellas que se encuentran demasiado cerca de un agujero negro son destrozadas por sus increíbles fuerzas de marea en lo que se conoce como un evento de disrupción de marea (TDE, Tidal Disruption Event). Aproximadamente el 1 % de estos eventos hacen que los chorros de plasma y radiación sean expulsados por los polos del agujero negro giratorio.

En 1971, el pionero de los agujeros negros, John Wheeler, introdujo el concepto de TDE con chorro como "un tubo de pasta de dientes que se aprieta con fuerza desde la zona media" haciendo que el sistema "expulse materia por ambos extremos". Desde entonces no se han dejado de investigar.

A principios de este año, el telescopio de rastreo Zwicky Transient Facility (ZTF, en EE UU) detectó una fuente inusual de luz visible, y enseguida se alertó a varios telescopios, incluido el Very Large Telescope (VLT) que tiene el Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile.

El VLT fue rápidamente redirigido hacia la fuente, y resulto ser un agujero negro supermasivo de una galaxia distante que había devorado una estrella, expulsando las sobras en forma de chorro. También determinó que era el ejemplo más lejano de tal evento jamás observado. Los resultados se publican en las revistas Nature y Nature Astronomy.

Aunque la mayoría de los TDE detectadas se originan en el universo cercano, este evento procedía de una galaxia situada a unos 12.400 millones de años luz y solo ha sido visible desde la Tierra debido a su excepcional brillo. Además, debido a que el chorro apunta casi hacia nosotros, también es la primera vez que se descubre en luz visible, proporcionando una nueva forma de detectar estos eventos extremos.

"Solo hemos visto un puñado de estos TDE con chorro y siguen siendo eventos muy exóticos y poco conocidos", afirma Nial Tanvir, de la Universidad de Leicester (Reino Unido), quien dirigió las observaciones con el VLT para determinar la distancia del objeto.

Por lo tanto, la comunidad astronómica busca constantemente estos eventos extremos para comprender cómo se crean realmente los chorros y por qué una fracción tan pequeña de TDE los produce. 

Descubrimiento con varios telescopios

Como parte de esta búsqueda, muchos telescopios, incluido el ZTF, estudian de manera continua el cielo en busca de signos de eventos de corta duración, a menudo extremos, que luego podrían ser estudiados con mayor profundidad de detalle por otros telescopios.

"Desarrollamos una pipeline (un código de canalización de datos) de código abierto para almacenar y extraer información importante del sondeo de ZTF y para que, a su vez, nos alertara en tiempo real ante de presencia de eventos atípicos", explica Igor Andreoni, astrónomo de la Universidad de Maryland en los Estados Unidos que codirigió el artículo publicado hoy en Nature junto con Michael Coughlin, de la Universidad de Minnesota (EE UU).

En febrero de este año, el ZTF detectó una nueva fuente de luz visible. El evento, llamado AT2022cmc, fue una reminiscencia de un estallido de rayos gamma, la fuente de luz más potente del universo. La perspectiva de presenciar este raro fenómeno llevó al equipo a activar varios telescopios de todo el mundo para observar la misteriosa fuente con más detalle y en diversas longitudes de onda.

Esto incluyó el VLT, que observó este nuevo evento con el instrumento X-shooter. Sus datos colocaron la fuente a una distancia sin precedentes para estos eventos: la luz producida por AT2022cmc comenzó su viaje cuando el universo tenía aproximadamente un tercio de su edad actual.

Un total de 21 telescopios de todo el mundo recopiló una amplia variedad de rangos de luz, desde rayos gamma de alta energía hasta ondas de radio. El equipo comparó estos datos con diferentes tipos de eventos conocidos, desde estrellas colapsadas hasta kilonovas.

Pero el único escenario que coincidía con los datos era un raro TDE con chorro apuntando hacia nosotros. Giorgos Leloudas, astrónomo de DTU Space, en Dinamarca, y coautor de este estudio, explica que "el hecho de que el chorro relativista apunte hacia nosotros, hace que el evento sea mucho más brillante de lo que parecería de otra manera, y también lo hace visible en un espectro más amplio del espectro electromagnético".

"Hasta ahora, el pequeño número de TDE con chorro que se conocen se había detectado, inicialmente, utilizando telescopios de rayos gamma y rayos X de alta energía, pero este fue el primer descubrimiento de un evento de este tipo durante un estudio óptico", declara el coautor Daniel Perley, astrónomo de la Universidad John Moores de Liverpool (Reino Unido).

Estos resultados muestran una nueva forma de detectar los TDE con chorro, permitiendo un estudio más profundo de estos eventos raros y de los ambientes extremos que rodean a los agujeros negros.

Participación española

En los dos estudios participan investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) y el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE), ambos del CSIC, junto al Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), que coinciden en el origen del destello: se trata de un jet o chorro de materia relativista producido por un agujero negro supermasivo al devorar una estrella. 

"Gran parte del tiempo, sin embargo, los agujeros negros supermasivos no devoran nada –explica el coautor Miguel Pérez-Torres, del IAA-CSIC–. Así, un TDE como este puede brindarnos una oportunidad única para estudiar la vecindad de estos poderosos objetos”. 

“Sin embargo, en algunos casos extremadamente raros, el agujero negro expulsa chorros de materia que viajan casi a la velocidad de la luz en el proceso de destrucción y acreción del material de una estrella –señala José Feliciano Agüí Fernández, del IAA-CSIC–. Los cálculos apuntan a que estos chorros se producen solo en el 1% de los casos, y eso fue precisamente lo que observamos”.

¿Pero cómo un evento tan lejano se observa tan brillante desde la Tierra? Los resultados sugieren que el chorro del agujero negro apunta hacia la Tierra, lo que provoca que la señal parezca más brillante que si lo hiciera en otra dirección.

El efecto, denominado refuerzo Doppler, es similar al sonido amplificado de una sirena y hace referencia a la modificación de la frecuencia de los fotones -y, por tanto, de la luminosidad- generada por materia que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz (materia relativista). En este caso, los investigadores descubrieron que la velocidad del chorro de materia es 99,9 % igual a la velocidad de la luz.

Para generar un chorro de materia tan intenso, el agujero negro debe encontrarse en una fase extremadamente activa, lo que el científico del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) Dheeraj Pasham califica de  “un frenesí de hiperalimentación. Probablemente, se esté tragando la estrella a razón de la mitad de la masa del Sol por año".

Este hallazgo supone la observación del primer TDE con refuerzo Doppler desde 2011, el primero descubierto a partir de un estudio óptico del cielo y el cuarto detectado en toda la historia. “El constante monitoreo de los cielos es esencial para detectar este tipo de eventos lo antes posible, para luego hacer un seguimiento arduo de estos con múltiples telescopios”, afirma el coautor e investigador del ICE-CSIC e IEEC Tomás E. Müller Bravo.

Nuevos TDE con nuevos telescopios

En los próximos años, la aparición de telescopios más potentes podría dar lugar a la detección de más TDE que, a su vez, podrían esclarecer cómo crecen los agujeros negros supermasivos y cómo dan forma a las galaxias que los rodean. “El descubrimiento de este tan lejano demuestra que podemos encontrar más en el futuro a esas distancias tan lejanas con el proyecto LSST, un telescopio de ocho metros que se está construyendo en Chile y que empezará a tomar datos a finales del 2024”, adelanta otro de los autores, Lluís Galbany, del ICE-CSIC y del IEEC.

Sin embargo, aún se desconoce por qué algunos eventos de disrupción por mareas producen chorros y otros no. “Nuestro trabajo apunta a que, probablemente, la diferencia radique en cómo rota el agujero negro supermasivo, y que una velocidad de rotación alta sea un ingrediente necesario para el lanzamiento de los chorros, una idea que nos acerca a la comprensión de la física de los agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias situadas a miles de años luz de distancia”, concluye Agüí Fernández.