Los astrónomos del MIT, la NASA y otros lugares tienen una nueva forma de medir qué tan rápido gira un agujero negro, utilizando las tambaleantes consecuencias de su festín estelar.
El método aprovecha un evento de perturbación de marea de un agujero negro:un momento increíblemente brillante en el que un agujero negro ejerce mareas sobre una estrella que pasa y la destroza. A medida que la estrella es perturbada por las inmensas fuerzas de marea del agujero negro, la mitad de la estrella es arrastrada, mientras que la otra mitad es arrojada alrededor del agujero negro, generando un disco de acreción intensamente caliente de material estelar en rotación.
El equipo dirigido por el MIT ha demostrado que la oscilación del disco de acreción recién creado es clave para determinar el giro inherente del agujero negro central.
En un estudio que aparece en Nature , los astrónomos informan que han medido el giro de un agujero negro supermasivo cercano siguiendo el patrón de destellos de rayos X que el agujero negro produjo inmediatamente después de un evento de perturbación de marea.
El equipo siguió los destellos durante varios meses y determinó que probablemente eran una señal de un disco de acreción brillante y caliente que se tambaleaba hacia adelante y hacia atrás mientras era empujado y atraído por el propio giro del agujero negro.
Al rastrear cómo cambió la oscilación del disco con el tiempo, los científicos pudieron determinar en qué medida el giro del agujero negro afectaba al disco y, a su vez, a qué velocidad giraba el propio agujero negro. Su análisis mostró que el agujero negro giraba a menos del 25 por ciento de la velocidad de la luz, relativamente lento, en comparación con los agujeros negros.
El autor principal del estudio, el científico investigador del MIT Dheeraj "DJ" Pasham, dice que el nuevo método podría usarse para medir los giros de cientos de agujeros negros en el universo local en los próximos años. Si los científicos pueden estudiar los giros de muchos agujeros negros cercanos, podrán empezar a comprender cómo evolucionaron los gigantes gravitacionales a lo largo de la historia del universo.
"Al estudiar varios sistemas en los próximos años con este método, los astrónomos podrán estimar la distribución general de los espines de los agujeros negros y comprender la cuestión de larga data de cómo evolucionan con el tiempo", dice Pasham, miembro del Instituto Kavli de Astrofísica y Astrofísica del MIT. Investigación espacial.
Los coautores del estudio incluyen colaboradores de varias instituciones, incluida la NASA, la Universidad Masaryk en la República Checa, la Universidad de Leeds, la Universidad de Siracusa, la Universidad de Tel Aviv, la Academia Polaca de Ciencias y otros lugares.
Cada agujero negro tiene un giro inherente que ha sido moldeado por sus encuentros cósmicos a lo largo del tiempo. Si, por ejemplo, un agujero negro ha crecido principalmente a través de acreción (casos breves en los que algo de material cae sobre el disco), esto hace que el agujero negro gire a velocidades bastante altas. Por el contrario, si un agujero negro crece principalmente fusionándose con otros agujeros negros, cada fusión podría ralentizar el proceso a medida que el giro de un agujero negro choca con el giro del otro.
Cuando un agujero negro gira, arrastra consigo el espacio-tiempo circundante. Este efecto de arrastre es un ejemplo de la precesión de Lense-Thirring, una teoría de larga data que describe las formas en que campos gravitacionales extremadamente fuertes, como los generados por un agujero negro, pueden atraer el espacio y el tiempo circundantes. Normalmente, este efecto no sería obvio alrededor de los agujeros negros, ya que los objetos masivos no emiten luz.
Pero en los últimos años, los físicos han propuesto que, en casos como durante un evento de perturbación de marea, o TDE, los científicos podrían tener la oportunidad de rastrear la luz de los desechos estelares a medida que son arrastrados. Entonces, podrían esperar medir el giro del agujero negro.
En particular, durante un TDE, los científicos predicen que una estrella puede caer sobre un agujero negro desde cualquier dirección, generando un disco de material triturado al rojo vivo que podría estar inclinado o desalineado con respecto al giro del agujero negro. (Imagínese el disco de acreción como un donut inclinado que gira alrededor de un agujero de donut que tiene su propio giro independiente).
Cuando el disco encuentra el giro del agujero negro, se tambalea cuando el agujero negro lo alinea. Con el tiempo, la oscilación disminuye a medida que el disco se asienta en el giro del agujero negro. Los científicos predijeron que, por lo tanto, el disco oscilante de un TDE debería ser una señal mensurable del giro del agujero negro.
"Pero la clave era tener las observaciones correctas", dice Pasham. "La única manera de hacer esto es que, tan pronto como se produzca una alteración de las mareas, sea necesario conseguir un telescopio para observar este objeto continuamente, durante un tiempo muy largo, de modo que se puedan explorar todo tipo de escalas de tiempo, desde minutos hasta a meses."
Durante los últimos cinco años, Pasham ha buscado eventos de perturbación de mareas que sean lo suficientemente brillantes y lo suficientemente cercanos como para realizar un seguimiento rápido y detectar signos de precesión Lense-Thirring. En febrero de 2020, él y sus colegas tuvieron suerte al detectar AT2020ocn, un destello brillante que emana de una galaxia a unos mil millones de años luz de distancia y que fue detectado inicialmente en la banda óptica por la instalación transitoria de Zwicky.
A partir de los datos ópticos, el destello parecía ser los primeros momentos después de un TDE. Al ser brillante y relativamente cercano, Pasham sospechaba que el TDE podría ser el candidato ideal para buscar signos de oscilación del disco y posiblemente medir el giro del agujero negro en el centro de la galaxia anfitriona. Pero para eso necesitaría muchos más datos.
"Necesitábamos datos rápidos y de alta cadencia", afirma Pasham. "La clave era detectar esto desde el principio porque esta precesión, o oscilación, sólo debería estar presente desde el principio. Más tarde, el disco ya no se tambalearía más".
El equipo descubrió que el telescopio NICER de la NASA podía captar el TDE y vigilarlo continuamente durante meses. NICER, abreviatura de Neutron star Interior Composition ExplorerR, es un telescopio de rayos X en la Estación Espacial Internacional que mide la radiación de rayos X alrededor de agujeros negros y otros objetos gravitacionales extremos.
Pasham y sus colegas examinaron las observaciones de NICER de AT2020ocn durante 200 días después de la detección inicial del evento de alteración de las mareas. Descubrieron que el evento emitía rayos X que parecían alcanzar su punto máximo cada 15 días, durante varios ciclos, antes de finalmente desaparecer.
Interpretaron los picos como momentos en los que el disco de acreción del TDE se tambaleaba de frente, emitiendo rayos X directamente hacia el telescopio NICER, antes de alejarse mientras continuaba emitiendo rayos X (similar a agitar una linterna hacia y lejos de alguien cada 15 días). ).
Los investigadores tomaron este patrón de oscilación y lo incorporaron a la teoría original de la precesión de Lense-Thirring. Basándose en estimaciones de la masa del agujero negro y la de la estrella rota, pudieron obtener una estimación del giro del agujero negro:menos del 25 por ciento de la velocidad de la luz.
Sus resultados marcan la primera vez que los científicos utilizan observaciones de un disco oscilante después de un evento de perturbación de marea para estimar el giro de un agujero negro. A medida que nuevos telescopios como el Observatorio Rubin entren en funcionamiento en los próximos años, Pasham prevé más oportunidades para precisar los giros de los agujeros negros.
"El giro de un agujero negro supermasivo nos cuenta sobre la historia de ese agujero negro", dice Pasham. "Incluso si una pequeña fracción de los que captura Rubin tiene este tipo de señal, ahora tenemos una manera de medir los giros de cientos de TDE. Entonces podríamos hacer una gran declaración sobre cómo los agujeros negros evolucionan a lo largo de la edad del universo. "
