Esta animación muestra a una estrella experimentando espaguetificación mientras es absorbida por un agujero negro supermasivo durante un “evento de interrupción de marea”. En un nuevo estudio, realizado con la ayuda del Very Large Telescope de ESO y el New Technology Telescope de ESO, un equipo de astrónomos descubrió que cuando un agujero negro devora una estrella, puede lanzar una poderosa explosión de material hacia el exterior. Crédito: ESO/M. Kornmesser
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Gran parte de la masa de la estrella en la interrupción de las mareas de 2019 terminó en una nube simétrica que ocultó el agujero negro.
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En 2019, los astrónomos observaron el ejemplo más cercano hasta la fecha de una estrella que fue triturada después de acercarse demasiado a un agujero negro masivo.
Esa interrupción de marea de una estrella similar al Sol por un agujero negro 1 millón de veces más masivo que él mismo tuvo lugar a 215 millones de años luz de la Tierra. Afortunadamente, este fue el primer evento de este tipo lo suficientemente brillante como para que los astrónomos de la Universidad de California, Berkeley, pudieran examinar la luz óptica de la muerte estelar, específicamente la polarización de la luz, para aprender más sobre lo que sucedió después de que la estrella fue destrozada.
“Esta es la primera vez que alguien ha deducido la forma de la nube de gas alrededor de una estrella espaguetificada por las mareas”. Alex Filippenko
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Sus observaciones del 8 de octubre de 2019 sugieren que gran parte del material de la estrella fue expulsado a gran velocidad, hasta 10,000 kilómetros por segundo (22 millones de millas por hora), y formó una nube esférica de gas que bloqueó la mayoría de las emisiones de alta energía producidas cuando el agujero negro devoró el resto de la estrella.
Anteriormente, otras observaciones de la luz óptica de la explosión, llamada AT2019qiz, revelaron que gran parte de la materia de la estrella fue arrojada hacia afuera en un poderoso viento. Sin embargo, los nuevos datos sobre la polarización de la luz, que era esencialmente cero en longitudes de onda visibles u ópticas cuando el evento estaba en su punto más brillante, sugieren a los astrónomos que la nube era probablemente esféricamente simétrica.
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“Está es la primera vez que alguien ha deducido la forma de la nube de gas alrededor de una estrella espaguetificada por las mareas”, dijo Alex Filippenko, profesor de astronomía de UC Berkeley y miembro del equipo de investigación.
Los hallazgos apoyan una respuesta a por qué los astrónomos no ven radiación de alta energía, como los rayos X, de muchas de las docenas de eventos de interrupción de marea observados hasta la fecha: los rayos X, que son generados por material arrancado de la estrella y arrastrado a un disco de acreción alrededor del agujero negro antes de caer hacia adentro, están oscurecidos de la vista por el gas soplado hacia afuera por poderosos vientos del agujero negro.
Si una estrella (rastro rojo) vaga demasiado cerca de un agujero negro (izquierda), puede ser triturada, o espaguetificada, por la intensa gravedad. Parte de la materia de la estrella se arremolina alrededor del agujero negro, como el agua por un desagüe, emitiendo copiosas radiografías (azules). Estudios recientes de estos llamados eventos de interrupción de marea sugieren que una fracción significativa del gas de la estrella también es expulsada hacia afuera por vientos intensos del agujero negro, en algunos casos creando una nube que oscurece el disco de acreción y los eventos de alta energía que ocurren dentro. Crédito: NASA/CXC/M. Weiss
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“Está observación descarta una clase de soluciones que se han propuesto teóricamente y nos da una restricción más fuerte sobre lo que sucede con el gas alrededor de un agujero negro”, dijo el estudiante graduado de UC Berkeley Kishore Patra, autor principal del estudio. “La gente ha estado viendo otra evidencia de viento que sale de estos eventos, y creo que este estudio de polarización definitivamente hace que esa evidencia sea más fuerte, en el sentido de que no se obtendría una geometría esférica sin tener una cantidad suficiente de viento. El hecho interesante aquí es que una fracción significativa del material en la estrella que está en espiral hacia adentro finalmente no cae en el agujero negro, sino que se aleja del agujero negro”.
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La polarización revela simetría
Muchos teóricos han planteado la hipótesis de que los desechos estelares forman un disco excéntrico y asimétrico después de la interrupción. Sin embargo, se espera que un disco excéntrico muestre un grado relativamente alto de polarización, lo que significaría que tal vez varios por ciento de la luz total está polarizada. Esto no se observó para este evento de interrupción de marea.
“Una de las cosas más locas que un agujero negro supermasivo puede hacer es destruir una estrella por sus enormes fuerzas de marea”, dijo el miembro del equipo Wenbin Lu, profesor asistente de astronomía de UC Berkeley. “Estos eventos de interrupción estelar de las mareas son una de las pocas formas en que los astrónomos conocen la existencia de agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias y miden sus propiedades. Sin embargo, debido al costo computacional extremo en la simulación numérica de tales eventos, los astrónomos aún no entienden los procesos complicados después de una interrupción de marea”.
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Un segundo conjunto de observaciones el 6 de noviembre, 29 días después de la observación de octubre, reveló que la luz estaba muy ligeramente polarizada, alrededor del 1%, lo que sugiere que la nube se había adelgazado lo suficiente como para revelar la estructura asimétrica de gas alrededor del agujero negro. Ambas observaciones provienen del telescopio Shane de 3 metros en el Observatorio Lick cerca de San José, California, que está equipado con el espectrógrafo Kast, un instrumento que puede determinar la polarización de la luz en todo el espectro óptico. La luz se polariza, su campo eléctrico vibra principalmente en una dirección – cuando dispersa electrones en la nube de gas.
“El disco de acreción en sí está lo suficientemente caliente como para emitir la mayor parte de su luz en rayos X, pero esa luz tiene que venir a través de esta nube, y hay muchas dispersiones, absorciones y reemisiones de luz antes de que pueda escapar de esta nube”, dijo Patra. “Con cada uno de estos procesos, la luz pierde parte de su energía de fotones, llegando hasta las energías ultravioleta y óptica. La dispersión final determina entonces el estado de polarización del fotón. Por lo tanto, al medir la polarización, podemos deducir la geometría de la superficie donde ocurre la dispersión final”.
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Patra señaló que este escenario de lecho de muerte puede aplicarse solo a las interrupciones normales de las mareas, no a las “bolas extrañas”, en las que los chorros relativistas de material son expulsados por los polos del agujero negro. Solo más mediciones de la polarización de la luz de estos eventos responderán a esa pregunta.”Los estudios de polarización son muy desafiantes, y muy pocas personas están lo suficientemente bien versadas en la técnica en todo el mundo para utilizar esto”, dijo. “Entonces, este es un territorio inexplorado para los eventos de interrupción de las mareas”.Patra, Filippenko, Lu y el investigador de UC Berkeley Thomas Brink, el estudiante graduado Sergiy Vasylyev y el becario postdoctoral Yi Yang informaron sus observaciones en un artículo que se ha publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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Una nube 100 veces más grande que la órbita de la Tierra
Los investigadores de UC Berkeley calcularon que la luz polarizada se emitía desde la superficie de una nube esférica con un radio de aproximadamente 100 unidades astronómicas (au), 100 veces más lejos de la estrella que la Tierra del sol. Un resplandor óptico de gas caliente emanaba de una región a unas 30 ua.
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Las observaciones espectropolarimétricas de 2019, una técnica que mide la polarización a través de muchas longitudes de onda de la luz, fueron de AT2019qiz, una interrupción de marea ubicada en una galaxia espiral en la constelación de Eridanus. La polarización cero de todo el espectro en octubre indica una nube de gas esféricamente simétrica: todos los fotones polarizados se equilibran entre sí. La ligera polarización de las mediciones de noviembre indica una pequeña asimetría. Debido a que estas interrupciones de marea ocurren tan lejos, en los centros de galaxias distantes, aparecen como solo un punto de luz, y la polarización es una de las pocas indicaciones de las formas de los objetos.
“Estos eventos de interrupción están tan lejos que realmente no se pueden resolver, por lo que no se puede estudiar la geometría del evento o la estructura de estas explosiones”, dijo Filippenko. “Pero estudiar la luz polarizada en realidad nos ayuda a deducir cierta información sobre la distribución de la materia en esa explosión o, en este caso, cómo se forma el gas, y posiblemente el disco de acreción, alrededor de este agujero negro”.
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Referencia: “Spectropolarimetry of the tidal disruption event AT 2019qiz: a quasispherical reprocessing layer” por Kishore C Patra, Wenbin Lu, Thomas G Brink, Yi Yang, Alexei V Filippenko y Sergiy S Vasylyev, 24 de junio de 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
