En el corazón de una galaxia lejana, un agujero negro supermasivo parece haber tenido hipo. Astrónomos del MIT, Italia, la República Checa y otros lugares han descubierto que un agujero negro previamente silencioso, que se encuentra en el centro de una galaxia a unos 800 millones de años luz de distancia, ha entrado en erupción repentinamente, emitiendo columnas de gas cada 8,5 días antes de asentarse. vuelva a su estado normal y tranquilo.
Los contratiempos periódicos son un comportamiento nuevo que hasta ahora no se había observado en los agujeros negros. Los científicos creen que la explicación más probable para los estallidos proviene de un segundo agujero negro más pequeño que zumba alrededor del agujero negro supermasivo central y arroja material desde el disco de gas del agujero negro más grande cada 8,5 días.
Los hallazgos del equipo, publicados en la revista Science Advances , desafían la imagen convencional de los discos de acreción de los agujeros negros, que los científicos habían asumido como discos de gas relativamente uniformes que giran alrededor de un agujero negro central. Los nuevos resultados sugieren que los discos de acreción pueden tener un contenido más variado y posiblemente contengan otros agujeros negros e incluso estrellas enteras.
"Pensábamos que sabíamos mucho sobre los agujeros negros, pero esto nos dice que hay muchas más cosas que pueden hacer", dice el autor del estudio Dheeraj "DJ" Pasham, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Creemos que habrá muchos más sistemas como este y sólo necesitamos tomar más datos para encontrarlos".
Los coautores del estudio del MIT incluyen al postdoctorado Peter Kosec, la estudiante de posgrado Megan Masterson, la profesora asociada Erin Kara, el investigador científico principal Ronald Remillard y el ex investigador científico Michael Fausnaugh, junto con colaboradores de múltiples instituciones, incluida la Universidad Tor Vergata de Roma, la Instituto Astronómico de la Academia Checa de Ciencias y Universidad Masaryk en la República Checa.
Los hallazgos del equipo surgieron de una detección automatizada realizada por ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae), una red de 20 telescopios robóticos situados en varios lugares de los hemisferios norte y sur. Los telescopios examinan automáticamente todo el cielo una vez al día en busca de signos de supernovas y otros fenómenos transitorios.
En diciembre de 2020, el estudio detectó un estallido de luz en una galaxia a unos 800 millones de años luz de distancia. Esa parte particular del cielo había estado relativamente tranquila y oscura hasta la detección de los telescopios, cuando la galaxia repentinamente se iluminó en un factor de 1000.
Pasham, que vio la detección informada en una alerta comunitaria, decidió centrarse en la llamarada con el NICER (Explorador de composición interior de estrellas de neutrones) de la NASA, un telescopio de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional que monitorea continuamente el cielo en busca de X. -Estallidos de rayos que podrían indicar actividad de estrellas de neutrones, agujeros negros y otros fenómenos gravitacionales extremos. El momento fue fortuito, ya que se acercaba el final del período de un año de Pasham durante el cual tenía permiso para apuntar o "activar" el telescopio.
"Se trataba de usarlo o perderlo, y resultó ser mi oportunidad más afortunada", dice.
Entrenó a NICER para observar la galaxia lejana mientras continuaba en llamas. El estallido duró unos cuatro meses antes de extinguirse. Durante ese tiempo, NICER tomó medidas de las emisiones de rayos X de la galaxia diariamente y con alta cadencia. Cuando Pasham examinó de cerca los datos, notó un patrón curioso dentro del brote de cuatro meses:caídas sutiles, en una banda muy estrecha de rayos X, que parecían reaparecer cada 8,5 días.
Parecía que el estallido de energía de la galaxia descendía periódicamente cada 8,5 días. La señal es similar a lo que ven los astrónomos cuando un planeta en órbita cruza frente a su estrella anfitriona, bloqueando brevemente la luz de la estrella. Pero ninguna estrella sería capaz de bloquear una llamarada de toda una galaxia.
"Me estaba preguntando qué significa esto porque este patrón no se ajusta a nada de lo que sabemos sobre estos sistemas", recuerda Pasham.
Mientras buscaba una explicación a las caídas periódicas, Pasham encontró un artículo reciente de físicos teóricos de la República Checa. Los teóricos habían descubierto por separado que sería posible, en teoría, que el agujero negro supermasivo central de una galaxia albergara un segundo agujero negro, mucho más pequeño. Ese agujero negro más pequeño podría orbitar en ángulo con respecto al disco de acreción de su compañero más grande.
Como propusieron los teóricos, el secundario atravesaría periódicamente el disco del agujero negro primario a medida que orbita. En el proceso, liberaría una columna de gas, como una abeja volando a través de una nube de polen. Potentes campos magnéticos, al norte y al sur del agujero negro, podrían lanzar la columna hacia arriba y fuera del disco.
Cada vez que el agujero negro más pequeño atraviesa el disco, expulsaría otra columna, en un patrón regular y periódico. Si esa columna apuntara en la dirección de un telescopio de observación, podría observarla como una caída en la energía general de la galaxia, bloqueando brevemente la luz del disco de vez en cuando.
"Esta teoría me entusiasmó mucho y de inmediato les envié un correo electrónico para decirles:'Creo que estamos observando exactamente lo que su teoría predijo'", dice Pasham.
Él y los científicos checos se unieron para probar la idea, con simulaciones que incorporaron las observaciones de NICER del estallido original y las caídas regulares de 8,5 días. Lo que encontraron respalda la teoría:el estallido observado fue probablemente una señal de un segundo agujero negro más pequeño, que orbita alrededor de un agujero negro supermasivo central y perfora periódicamente su disco.
Específicamente, el equipo descubrió que la galaxia estaba relativamente tranquila antes de la detección de diciembre de 2020. El equipo estima que el agujero negro supermasivo central de la galaxia tiene una masa equivalente a 50 millones de soles. Antes de la explosión, el agujero negro pudo haber tenido un disco de acreción difuso y tenue girando a su alrededor, mientras un segundo agujero negro más pequeño, que medía entre 100 y 10.000 masas solares, orbitaba en relativa oscuridad.
Los investigadores sospechan que, en diciembre de 2020, un tercer objeto, probablemente una estrella cercana, se acercó demasiado al sistema y fue destrozado por la inmensa gravedad del agujero negro supermasivo, un evento que los astrónomos conocen como "evento de perturbación de mareas".
La repentina afluencia de material estelar iluminó momentáneamente el disco de acreción del agujero negro cuando los restos de la estrella se arremolinaron en el agujero negro. Durante cuatro meses, el agujero negro se deleitó con los desechos estelares mientras el segundo agujero negro continuaba orbitando. Al atravesar el disco, expulsó una columna mucho más grande de lo normal, que salió disparada directamente hacia el alcance de NICER.
El equipo llevó a cabo numerosas simulaciones para probar las caídas periódicas. La explicación más probable, concluyen, es un nuevo tipo de sistema David y Goliat:un pequeño agujero negro de masa intermedia que gira alrededor de un agujero negro supermasivo.
"Esta es una bestia diferente", dice Pasham. "No se ajusta a nada de lo que sabemos sobre estos sistemas. Estamos viendo evidencia de objetos que entran y atraviesan el disco, en diferentes ángulos, lo que desafía la imagen tradicional de un simple disco gaseoso alrededor de agujeros negros. Creemos que hay existe una enorme población de estos sistemas."
"Este es un ejemplo brillante de cómo utilizar los restos de una estrella rota para iluminar el interior de un núcleo galáctico que de otro modo permanecería oscuro. Es similar a usar tinte fluorescente para encontrar una fuga en una tubería", dice Richard Saxton, un astrónomo de rayos X del Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC) en Madrid, España, que no participó en el estudio.
"Este resultado muestra que los binarios de agujeros negros supermasivos muy cercanos podrían ser comunes en los núcleos galácticos, lo cual es un desarrollo muy interesante para futuros detectores de ondas gravitacionales".
Más información: Dheeraj Pasham, Un caso para un sistema binario de agujeros negros revelado a través de flujos de salida cuasi periódicos, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj8898. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj8898. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2402.10140
Información de la revista: Avances científicos , arXiv
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
