A medida que la materia que forma la estrella cae sobre el agujero negro, emite rayos X. El recuadro muestra los datos recopilados por tres telescopios, con el brillo de los rayos X trazados en el eje vertical contra la longitud de onda en el eje horizontal. Crédito:NASA / CXC / U. Michigan / J. Miller y col .; Ilustración:NASA / CXC / M. Weiss
Científicos de MIPT, la Universidad de Oxford, y la Academia de Ciencias de Rusia han estimado el número de estrellas interrumpidas por agujeros negros supermasivos solitarios en centros galácticos que se formaron a través de fusiones de galaxias que contienen agujeros negros supermasivos. Los astrofísicos determinaron si los efectos gravitacionales que surgen de dos agujeros negros que se acercan entre sí pueden explicar por qué se observan menos estrellas capturadas por agujeros negros de lo que predicen los modelos teóricos básicos.
En su estudio publicado en El diario astrofísico , los investigadores estudiaron la interacción de los mecanismos dinámicos que afectan la cantidad de estrellas en una galaxia que se capturan por unidad de tiempo (la tasa de interrupción de las mareas). Un modelo teórico avanzado arrojó resultados que son aún más inconsistentes con las observaciones, lo que llevó al equipo a plantear la hipótesis de que la interrupción de las estrellas en los núcleos galácticos puede ocurrir sin nuestro conocimiento.
Interrupción de estrellas
Eventos de interrupción de las mareas, o TDE, son la única fuente disponible de información de núcleos galácticos inactivos. Hay al menos un agujero negro supermasivo en el centro de la mayoría de las galaxias. Rodeado de densos cúmulos estelares centrales, los agujeros negros ocupan regiones conocidas como núcleos galácticos. Como sugiere su nombre, los agujeros negros no emiten luz. Sin embargo, cuando la materia cae sobre el objeto masivo central, se calienta a temperaturas extremas y se puede observar con un telescopio. Las galaxias activas tienen nubes de gas que alimentan a los agujeros negros, haciéndolos visibles. Sin embargo, aproximadamente el 90 por ciento de las galaxias permanecen "en silencio, "porque no contienen nubes de gas y, por lo tanto, no importa que el agujero negro consuma otras estrellas que, en ocasiones, se acercan demasiado. Cuando esto sucede, la estrella es destrozada por las fuerzas de las mareas, experimentar lo que se conoce como "espaguetificación, "y los astrónomos detectan un evento de interrupción de las mareas (TDE). Hasta ahora, Se han observado alrededor de 50 llamaradas de radiación relacionadas con los TDE. Se calcula que la tasa promedio de disrupción estelar asciende a una estrella por 10, 000 a 100, 000 años por galaxia. Basado en estos datos, los científicos están tratando de desarrollar un modelo confiable de lo que sucede en núcleos galácticos inactivos.
Suponga una galaxia esférica en el vacío.
El modelo teórico más simple involucra una galaxia cuyo núcleo es de forma esférica y tiene un agujero negro supermasivo en su centro. El agujero negro está orbitado por estrellas que cambian la dirección de su movimiento al pasar unas junto a otras. la forma en que las bolas de billar rebotan entre sí cuando chocan en la mesa. Sin embargo, mientras que una bola de billar debe moverse directamente hacia el agujero para caer en él, una estrella tiene más opciones:basta con que su vector de velocidad esté en el llamado cono de pérdida, para asegurar que la estrella eventualmente sea capturada e interrumpida por la gravedad del agujero negro. Según este modelo muy simple, se debe capturar un promedio de una estrella por galaxia cada 1, 000 a 10, 000 años, es decir., con más frecuencia de lo observado. Aunque el modelo se puede mejorar si se tienen en cuenta otros factores (p. Ej., la diferencia en la masa de las estrellas), esto solo aumentaría aún más las tasas de interrupción de las mareas previstas.
Una estrella cuyo vector de velocidad ha caído en el cono de pérdida. BH denota un agujero negro, y rcapt es el radio de captura. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú
El efecto tirachinas
En el presente, Solo hay un mecanismo discutido en fuentes publicadas que podría ser responsable del hecho de que se capturen menos estrellas de las esperadas. Curiosamente, requiere que la mayoría de las estrellas de bajo momento angular desaparezcan, por así decirlo. Pero examinemos primero un caso análogo que involucra la difusión de gas. Suponga que hay moléculas de gas en movimiento aleatorio contenidas dentro de un recipiente cuyas paredes pueden absorber las moléculas. Ahora imagina que se han eliminado las moléculas más cercanas a las paredes. La consecuencia obvia de esto sería menos moléculas absorbidas por unidad de tiempo, ya que las moléculas restantes aún tienen que viajar una cierta distancia antes de que puedan entrar en contacto con una pared. Similar, si las estrellas se eliminan del centro de la galaxia, la tasa de disrupción estelar caerá. Naturalmente, las estrellas no pueden simplemente desvanecerse en el aire; pero si la galaxia alberga un agujero negro binario, luego, las estrellas individuales pueden ser expulsadas de la galaxia por medio de un llamado tirachinas gravitacional, una maniobra también conocida como asistencia por gravedad cuando se trata de naves espaciales artificiales.
La ley de conservación de la energía implica que cuando una estrella se acelera (es decir, recibe energía cinética adicional), la energía del agujero negro binario debe reducirse. Como resultado, los dos agujeros negros se acercan y comienzan a fusionarse. Finalmente, cuando la fusión esté casi completa, parte de la energía se irradia hacia afuera en forma de ondas gravitacionales, como lo demuestra este reciente y sensacional descubrimiento.
Durante la etapa inicial de la fusión conocida como inspiral, los agujeros negros orbitan alrededor de un centro de masa común acercándose gradualmente unos a otros. Entonces ocurre la fusión propiamente dicha y se emiten la mayoría de las ondas gravitacionales. Las líneas rojas y azules en la parte inferior de la imagen representan la señal gravitacional asociada con la fusión de un agujero negro. Tras la fusión propiamente dicha, el ahora único agujero negro sufre oscilaciones denominadas ringdown. Crédito:LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Universidad Estatal de Sonoma)
Una galaxia no esférica en el vacío
Aunque una fusión de galaxias puede ir acompañada de una disminución en la tasa de disrupción estelar, también se ha observado el efecto contrario. Tiene que ver con el hecho de que cualquier núcleo galáctico que sea producto de una fusión tiene una forma ligeramente no esférica. En un núcleo no esférico, las estrellas se entremezclan más a fondo; por eso, hay más estrellas cuyas órbitas se encuentran cerca del agujero negro. Esto significa que hay más estrellas disponibles para ser capturadas y la tasa de TDE aumenta. a pesar del efecto tirachinas. Para descubrir cómo la interacción de estos dos factores opuestos impacta la tasa de disrupción estelar, Kirill Lezhnin y Eugene Vasiliev, ambos graduados del MIPT, realizaron los cálculos necesarios e investigaron la influencia de la masa del agujero negro, geometría del cúmulo estelar nuclear, y las condiciones iniciales tienen sobre las tasas de interrupción.
Aún más destrucción
Resultó que el efecto de la eliminación de estrellas del centro de la galaxia por medio de una honda gravitacional fue insignificante en todos los casos, excepto en el escenario de galaxia esférica en el vacío. Se debería notar, sin embargo, que la forma de una galaxia formada en una fusión nunca es una esfera perfecta. En lo que respecta a los resultados de los cálculos, la conclusión es que un promedio de una estrella por cada 10, 000 años por galaxia deberían interrumpirse. Y aunque este número está de acuerdo con las predicciones teóricas anteriores, también plantea la pregunta:¿Por qué se observan menos TDE de lo que los modelos teóricos nos harían esperar?
Kirill Lezhnin, uno de los autores del estudio, explica la importancia de los resultados de la investigación:"Demostramos que las bajas tasas de interrupción observadas no pueden explicarse por el efecto tirachinas. Por lo tanto, Es necesario encontrar otro mecanismo que se encuentre fuera del ámbito de los estudios de dinámica estelar. Alternativamente, de hecho, las tasas de TDE a las que llegamos podrían ser precisas. Entonces necesitamos encontrar una explicación de por qué no se observan ".
