Físicos observan cómo una estrella sobrevive a un agujero negro

Un equipo de físicos ha podido observar la sorprendente órbita de una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo, sobreviviendo en primera instancia a la interacción con el mismo.

A cientos de millones de años luz de distancia, en una galaxia lejana, una estrella en órbita alrededor de un agujero negro supermasivo está siendo violentamente desgarrada por la inmensa atracción gravitatoria del agujero negro. A medida que la estrella es destrozada, sus restos se transforman en una corriente de escombros que llueven de nuevo sobre el agujero negro para formar un disco de material muy caliente y muy brillante que gira alrededor del agujero negro, llamado disco de acreción.

Este fenómeno, en el que una estrella es destruida por un agujero negro supermasivo y genera una luminosa llamarada de acreción, se conoce como evento de disrupción de marea (TDE, por sus siglas en inglés), y se prevé que los TDE se produzcan aproximadamente una vez cada 10.000 a 100.000 años en una galaxia determinada.

Con luminosidades que superan a las de galaxias enteras (es decir, miles de millones de veces más brillantes que nuestro Sol) durante breves periodos de tiempo (de meses a años), los fenómenos de acreción permiten a los astrofísicos estudiar los agujeros negros supermasivos (SMBH) desde distancias cosmológicas, proporcionando una ventana a las regiones centrales de galaxias que, de otro modo, permanecerían inactivas.

Al sondear estos sucesos de "gravedad intensa", en los que la teoría general de la relatividad de Einstein es fundamental para determinar cómo se comporta la materia, las TDE aportan información sobre uno de los entornos más extremos del universo: el horizonte de sucesos -el punto de no retorno- de un agujero negro.

Por lo general, las TDE se producen "una vez y ya está" porque el campo gravitatorio extremo del SMBH destruye la estrella, lo que significa que el SMBH se desvanece en la oscuridad tras la llamarada de acreción. En algunos casos, sin embargo, el núcleo de alta densidad de la estrella puede sobrevivir a la interacción gravitatoria con el SMBH, lo que le permite orbitar alrededor del agujero negro más de una vez. Los investigadores llaman a esto un TDE parcial repetitivo.

Un equipo de físicos, entre ellos el autor principal Thomas Wevers, miembro del Observatorio Europeo Austral, y los coautores Eric Coughlin, profesor adjunto de Física en la Universidad de Syracuse, y Dheeraj R. "DJ" Pasham, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, han propuesto un modelo de TDE parcial repetitiva basado en la observación.

Sus conclusiones, publicadas en The Astrophysical Journal Letters, describen la captura de la estrella por un SMBH, la extracción del material cada vez que la estrella se acerca al agujero negro y el retardo entre el momento en que el material es extraído y el momento en que alimenta de nuevo al agujero negro.

El trabajo del equipo es el primero en desarrollar y utilizar un modelo detallado de una TDE parcial repetitiva para explicar las observaciones, hacer predicciones sobre las propiedades orbitales de una estrella en una galaxia lejana y comprender el proceso de perturbación parcial por marea.

El equipo está estudiando una TDE conocida como AT2018fyk (AT significa "Astrophysical Transient''). La estrella fue capturada por un SMBH mediante un proceso de intercambio conocido como "captura de Hills", en el que la estrella formaba parte originalmente de un sistema binario (dos estrellas que orbitan una alrededor de la otra bajo su mutua atracción gravitatoria) que fue desgarrado por el campo gravitatorio del agujero negro. La otra estrella (no capturada) fue expulsada del centro de la galaxia a velocidades comparables a unos 1.000 km/s, lo que se conoce como estrella de hipervelocidad.

Una vez unida al SMBH, la estrella que alimenta la emisión de AT2018fyk ha sido despojada repetidamente de su envoltura exterior cada vez que pasa por su punto de máxima aproximación al agujero negro. Las capas exteriores despojadas de la estrella forman el brillante disco de acreción, que los investigadores pueden estudiar utilizando telescopios ópticos de rayos X y ultravioleta que observan la luz de galaxias lejanas.

Según Wevers, tener la oportunidad de estudiar un TDE parcial repetido proporciona una visión sin precedentes de la existencia de agujeros negros supermasivos y de la dinámica orbital de las estrellas en los centros de las galaxias.

"Hasta ahora, la suposición era que cuando vemos las secuelas de un encuentro cercano entre una estrella y un agujero negro supermasivo, el resultado será fatal para la estrella, es decir, la estrella se destruye por completo", afirma en un comunicado. "Pero, al contrario de lo que ocurre con todas las demás TDE que conocemos, cuando volvimos a apuntar nuestros telescopios al mismo lugar varios años después, descubrimos que había vuelto a brillar. Esto nos llevó a proponer que, en lugar de ser fatal, parte de la estrella sobrevivió al encuentro inicial y regresó al mismo lugar para ser despojada de material una vez más, explicando la fase de rebrillantez."

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