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Aunque los agujeros negros y los niños pequeños no parecen tener mucho en común, son notablemente similares en un aspecto: Ambos son comedores desordenados, generando amplias pruebas de que se ha producido una comida.
Pero mientras que uno puede dejar excrementos de pasta o salpicaduras de yogur, el otro crea una secuela de proporciones alucinantes. Cuando un agujero negro engulle una estrella, produce lo que los astrónomos llaman un "evento de disrupción de marea". La destrucción de la estrella va acompañada de un estallido de radiación que puede eclipsar la luz combinada de todas las estrellas de la galaxia del agujero negro durante meses, incluso años.
En un artículo publicado en The Astrophysical Journal, un equipo de astrónomos dirigido por Sixiang Wen, investigador postdoctoral asociado del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona, utiliza los rayos X emitidos por un evento de disrupción de marea conocido como J2150 para realizar las primeras mediciones tanto de la masa como del giro del agujero negro. Este agujero negro es de un tipo particular -un agujero negro de masa intermedia- que ha eludido la observación durante mucho tiempo.
"El hecho de que hayamos podido captar este agujero negro mientras devoraba una estrella ofrece una oportunidad extraordinaria para observar lo que, de otro modo, sería invisible", dijo Ann Zabludoff, profesora de astronomía de la UArizona y coautora del artículo. "No sólo eso, al analizar la llamarada pudimos comprender mejor esta esquiva categoría de agujeros negros, que bien podría representar la mayoría de los agujeros negros en los centros de las galaxias".
Al volver a analizar los datos de rayos X utilizados para observar la llamarada J2150, y compararlos con sofisticados modelos teóricos, los autores demostraron que esta llamarada se originó efectivamente en un encuentro entre una estrella desafortunada y un agujero negro de masa intermedia. El agujero negro intermedio en cuestión es de una masa particularmente baja para un agujero negro, es decir, pesa aproximadamente 10.000 veces la masa del sol.
"Las emisiones de rayos X del disco interior formado por los restos de la estrella muerta nos permitieron inferir la masa y el giro de este agujero negro y clasificarlo como un agujero negro intermedio", explicó Wen.
Se han observado docenas de eventos de disrupción de marea en los centros de grandes galaxias que albergan agujeros negros supermasivos, y también se han observado unos cuantos en los centros de pequeñas galaxias que podrían contener agujeros negros intermedios. Sin embargo, los datos anteriores nunca han sido lo suficientemente detallados como para demostrar que una llamarada de disrupción de marea individual fue impulsada por un agujero negro intermedio.
"Gracias a las observaciones astronómicas modernas, sabemos que los centros de casi todas las galaxias de tamaño similar o superior al de nuestra Vía Láctea albergan agujeros negros supermasivos centrales", explica Nicholas Stone, coautor del estudio y profesor de la Universidad Hebrea de Jerusalén. "Estos colosos tienen un tamaño que oscila entre 1 millón y 10.000 millones de veces la masa de nuestro sol, y se convierten en potentes fuentes de radiación electromagnética cuando cae demasiado gas interestelar en sus proximidades".
La masa de estos agujeros negros está estrechamente relacionada con la masa total de sus galaxias anfitrionas; las galaxias más grandes albergan los mayores agujeros negros supermasivos.
"Todavía sabemos muy poco sobre la existencia de agujeros negros en los centros de galaxias más pequeñas que la Vía Láctea", afirma el coautor Peter Jonker, de la Universidad de Radboud y del Instituto Holandés de Investigación Espacial SRON, ambos en los Países Bajos. "Debido a las limitaciones observacionales, es un reto descubrir agujeros negros centrales mucho más pequeños que un millón de masas solares".
A pesar de su presunta abundancia, los orígenes de los agujeros negros supermasivos siguen siendo desconocidos, y muchas teorías diferentes compiten actualmente para explicarlos, según Jonker. Los agujeros negros de masa intermedia podrían ser las semillas de las que crecen los agujeros negros supermasivos.
"Por lo tanto, si conseguimos saber mejor cuántos agujeros negros intermedios de buena fe hay, esto puede ayudar a determinar qué teorías de la formación de agujeros negros supermasivos son correctas", dijo.
Según Zabludoff, lo más emocionante es la medición del espín de J2150 que el grupo pudo obtener. La medición del espín ofrece pistas sobre el crecimiento de los agujeros negros y, posiblemente, sobre la física de partículas.
Este agujero negro tiene un espín rápido, pero no el más rápido posible, explicó Zabludoff, lo que plantea la cuestión de cómo el agujero negro acaba teniendo un espín en este rango.
"Es posible que el agujero negro se haya formado así y no haya cambiado mucho desde entonces, o que dos agujeros negros de masa intermedia se hayan fusionado recientemente para formar éste", dijo. "Sabemos que el espín que medimos excluye los escenarios en los que el agujero negro crece durante mucho tiempo a partir de un consumo constante de gas o de muchos bocados rápidos de gas que llegan desde direcciones aleatorias".
Además, la medición del espín permite a los astrofísicos poner a prueba las hipótesis sobre la naturaleza de la materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo. La materia oscura puede estar formada por partículas elementales desconocidas que aún no se han visto en los experimentos de laboratorio. Entre las candidatas se encuentran unas partículas hipotéticas conocidas como bosones ultraligeros, explicó Stone.
"Si esas partículas existen y tienen masas en un determinado rango, impedirán que un agujero negro de masa intermedia tenga un giro rápido", dijo. "Sin embargo, el agujero negro de J2150 gira rápido. Así, nuestra medición del espín descarta una amplia clase de teorías de bosones ultraligeros, mostrando el valor de los agujeros negros como laboratorios extraterrestres para la física de partículas."
Los autores esperan que, en el futuro, las nuevas observaciones de las erupciones de disrupción de marea permitan a los astrónomos rellenar las lagunas en la distribución de la masa de los agujeros negros.
"Si resulta que la mayoría de las galaxias enanas contienen agujeros negros de masa intermedia, entonces dominarán la tasa de disrupción de marea estelar", dijo Stone. "Al ajustar la emisión de rayos X de estas erupciones a los modelos teóricos, podemos realizar un censo de la población de agujeros negros de masa intermedia en el universo", añadió Wen.
Sin embargo, para ello es necesario observar más eventos de disrupción de marea. Por ello, los astrónomos tienen grandes esperanzas en los nuevos telescopios que se pondrán en marcha próximamente, tanto en la Tierra como en el espacio, incluido el Observatorio Vera C. Rubin, también conocido como Legacy Survey of Space and Time, o LSST, que se espera que descubra miles de eventos de disrupción de marea al año.
Fuentes, créditos y referencias:
Sixiang Wen et al, Mass, Spin, and Ultralight Boson Constraints from the Intermediate-mass Black Hole in the Tidal Disruption Event 3XMM J215022.4–055108, The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-4357/ac00b5
Imágenes: Esta ilustración muestra una corriente de material brillante procedente de una estrella, despedazada al ser devorada por un agujero negro supermasivo. El agujero negro que se alimenta está rodeado por un anillo de polvo, de forma parecida a como el plato de un niño pequeño está rodeado de migas después de comer. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Cuando una estrella se acerca demasiado a un agujero negro, las fuerzas gravitatorias crean intensas mareas que rompen la estrella en una corriente de gas, dando lugar a un fenómeno cataclísmico conocido como evento de disrupción de marea. Se liberan enormes cantidades de energía, lo que hace que la disrupción de marea supere a su galaxia en algunos casos. Crédito: NASA's Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)