Detectan señales cósmicas cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro

• Se trata de un pulso de rayos X procedente de la explosión generada por el engullimiento de una estrella
• La señal se ilumina y desaparece periódicamente cada 131 segundos y persiste durante al menos 450 días

Sonidos que llegan desde un punto muy distante en el universo

El 22 de noviembre de 2014, astrónomos detectaron un evento raro en el cielo nocturno: un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia, a casi 300 millones de años luz de la Tierra, destrozando una estrella pasajera.

El evento, conocido como estallido de interrupción de marea, por el enorme tirón de la marea del agujero negro que desgarra una estrella, creó una explosión de actividad de rayos X cerca del centro de la galaxia. Desde entonces, una gran cantidad de observatorios han centrado sus miras en el evento, con la esperanza de aprender más sobre cómo se alimentan los agujeros negros.

Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, y en otros lugares han revisado datos de observaciones de varios telescopios sobre el evento y han descubierto un pulso o una señal de rayos X curiosamente intenso, estable y periódico en todos los conjuntos de datos. La señal parece emanar de un área muy cercana al horizonte de sucesos del agujero negro, el punto a partir del cual el agujero negro traga el material de forma ineludible.

131 segundos

La señal parece iluminarse y desaparecer periódicamente cada 131 segundos y persiste durante al menos 450 días. Los científicos creen que todo lo que emite la señal periódica debe estar orbitando el agujero negro, justo fuera del horizonte de sucesos, cerca de la Órbita Circular Estable Inferior, o ISCO, la órbita más pequeña en la que una partícula puede viajar con seguridad alrededor de un agujero negro.

Dada la proximidad estable de la señal al agujero negro y la masa del agujero negro, que los investigadores estimaron que era aproximadamente un millón de veces mayor que la del sol, el equipo ha calculado que el agujero negro está girando a aproximadamente el 50% de la velocidad de la luz.

Los hallazgos, publicados en la revista Science, son la primera demostración de un estallido de interrupción de la marea que se utiliza para estimar el giro de un agujero negro.

El primer autor del estudio, Dheeraj Pasham, postdoctorado en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, dice que la mayoría de los agujeros negros supermasivos están inactivos y no suelen emitir mucho en el modo de radiación de rayos X. Solo ocasionalmente lanzarán una explosión de actividad, como cuando las estrellas se acercan lo suficiente para que los agujeros negros las devoren.

Ahora dice que, dados los resultados del equipo, se pueden usar estas llamaradas de disrupción de mareas pueden para estimar el giro de los agujeros negros supermasivos, una característica que, hasta ahora, ha sido increíblemente difícil de precisar.

Evolución de las galaxias

"Los eventos en los que los agujeros negros destruyen las estrellas que se acercan demasiado a ellos podrían ayudarnos a trazar los giros de varios agujeros negros supermasivos que están latentes y, por lo demás, ocultos en los centros de las galaxias -dice Pasham-. En última instancia, esto podría ayudarnos a comprender cómo evolucionaron las galaxias a lo largo del tiempo cósmico".

Los co-autores de Pasham incluyen a Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frederick Baganoff y James Steiner del MIT; Alessia Franchini en la Universidad de Nevada; Chris Fragile del College of Charleston; Nicholas Stone de la Universidad de Columbia; Eric Coughlin de la Universidad de California en Berkeley; y Nishanth Pasham, de Sunnyvale, California.

Los modelos teóricos de los eventos de interrupción de mareas muestran que cuando un agujero negro destruye una estrella, parte del material de esa estrella puede permanecer fuera del horizonte de sucesos, dando vueltas, al menos temporalmente, en una órbita estable como ISCO, y emitiendo destellos periódicos de rayos X antes de ser alimentados por el agujero negro. La periodicidad de los destellos de rayos X, por lo tanto, codifica información clave sobre el tamaño de ISCO, que a su vez depende de cómo de rápido está girando el agujero negro.

Pasham y sus colegas pensaron que, si pudieran ver esos destellos regulares muy cerca de un agujero negro que había sufrido un reciente evento de disrupción de marea, estas señales podrían darles una idea de cómo de rápido estaba girando el agujero negro. Centraron su búsqueda en ASASSN-14li, el evento de interrupción de marea que los astrónomos identificaron en noviembre de 2014, utilizando la Encuesta Automatizada de Todo el Cielo para SuperNovas (ASASSN).

"Este sistema es emocionante porque creemos que es un elemento secundario para los ataques de mareas -dice Pasham-. Este evento en particular parece coincidir con muchas de las predicciones teóricas".

Tres observatorios diferentes

El equipo examinó los conjuntos de datos archivados de tres observatorios que recolectaron mediciones de rayos X del evento desde su descubrimiento: el observatorio espacial XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, y los observatorios espaciales de la NASA Chandra y Swift.

Pasham desarrolló previamente un código de ordenador para detectar patrones periódicos en datos astrofísicos, aunque no específicamente para eventos de interrupción de mareas. Decidió aplicar su código a los tres conjuntos de datos de ASASSN-14li, para ver si surgían patrones periódicos comunes a la superficie.

Lo que observó fue un estallido de radiación de rayos X sorprendentemente fuerte, estable y periódico que parecía provenir muy cerca del borde del agujero negro. La señal se iluminó cada 131 segundos, durante 450 días, y fue extremadamente intensa, aproximadamente un 40% por encima del brillo medio de rayos X del agujero negro.

50% de la velocidad de la luz

Centrándose en las propiedades de la señal, y la masa y el tamaño del agujero negro, el equipo estimó que el agujero negro está girando al menos al 50% de la velocidad de la luz.

Al equipo se le ocurrieron varios escenarios, pero el que parece más propenso a generar una llamarada de rayos X tan fuerte y común implica no solo un agujero negro que destruye una estrella que pasa, sino también un tipo más pequeño de estrella, conocido como enana blanca, orbitando cerca del agujero negro. Tal enana blanca pudo haber estado dando vueltas alrededor del agujero negro supermasivo, en ISCO, la órbita circular más estable durante algún tiempo.

Sola, no habría sido suficiente para emitir ningún tipo de radiación detectable. A todos los efectos, la enana blanca habría sido invisible para los telescopios, ya que rodeaba el agujero negro giratorio, relativamente inactivo. En algún momento, alrededor del 22 de noviembre de 2014, una segunda estrella pasó lo suficientemente cerca del sistema para que el agujero negro la destrozara en un estallido de ruptura de marea que emitía una enorme cantidad de radiación de rayos X, en forma de material estelar caliente y desmenuzado.

Cadencia de 131 segundos

Cuando el agujero negro empujó este material hacia el interior, algunos de los escombros estelares cayeron en el agujero negro, mientras que otros permanecieron justo afuera, en la órbita más estable, la misma órbita en la que la enana blanca daba vueltas.

Cuando la enana blanca entró en contacto con este material estelar caliente, es probable que lo arrastrara como una especie de sobretodo luminoso, alumbrando a la enana blanca con una cantidad intensa de rayos X cada vez que rodeaba el agujero negro, cada 131 segundos.