Tercer Milenio
En colaboración con ITA
Universo en acción
Historia de un agujero negro, una atracción fatal y una estrella devorada
Los agujeros negros supermasivos de las galaxias son como viudas negras: esperan pacientemente a que la víctima quede enredada en su telaraña.
A principios de 2022, el observatorio Zwicky Transient Facility (ZTF) –que escanea todo el cielo del hemisferio norte cada dos días– detectó desde el Monte Palomar, California, un extraordinario destello allí donde, la noche anterior, no brillaba nada. Con una luminosidad equivalente a la de mil billones (un uno seguido de 15 ceros) de soles, este fenómeno fue estudiado por distintos grupos científicos que coinciden en el origen del destello: se trata de un chorro producido por un agujero negro al devorar una estrella.
La mayoría de las galaxias albergan en sus regiones centrales agujeros negros supermasivos, que contienen hasta miles de millones de veces la masa del Sol. Se trata de objetos con un campo gravitatorio tan intenso que ni la luz puede escapar, y muestran una estructura formada por un disco de gas y polvo –el disco de acrecimiento–, que absorbe el material de su entorno.
Gran parte del tiempo, sin embargo, los agujeros negros supermasivos no devoran nada, por lo que un fenómeno como este, que conocemos como eventos de disrupción por mareas (‘tidal disruption events’, TDE por sus siglas en inglés), nos brinda una oportunidad única para estudiar la vecindad de los astros gravitatoriamente más poderosos del universo.
El escenario es relativamente bien conocido: la estrella es desgarrada por las fuerzas de marea del agujero negro, pasa a formar parte de su disco y termina siendo engullida por él. Sin embargo, en algunos casos extremadamente raros, el agujero negro expulsa chorros de materia que viajan casi a la velocidad de la luz después de destruir una estrella. Los datos apuntan a que estos chorros se producen solo en el 1% de los casos, y eso fue precisamente lo que observamos los dos grupos que realizamos un seguimiento de la evolución temporal del destello luminoso, que se conoció como AT2022cmc (AT indica que es un objeto transitorio; 2022, que se detectó en 2022; cmc indica el orden, empezando por la A, que sería el primer objeto transitorio detectado por el instrumento ZTF en 2022).
El TDE más lejano
AT2022cmc se encuentra entre los más luminosos jamás observados. La fuente es también el TDE más lejano jamás detectado. Los astrónomos lo encontraron a un desplazamiento al rojo de 1.2, es decir, que ocurrió hace unos 12.800 millones de años. Parece hallarse en el centro de una galaxia que aún no es visible porque la luz de AT2022cmc la eclipsó, pero cuando el episodio finalice podría ser fotografiada por los telescopios espaciales Hubble o James Webb.
¿Cómo un evento tan lejano se observa tan brillante desde aquí? Los astrónomos concluyen que el chorro del agujero negro apunta, con casi total seguridad, directamente hacia la Tierra, lo que hace que la señal parezca más brillante que si el chorro apuntara en cualquier otra dirección. El efecto, denominado ‘reforzamiento Doppler relativista’, es similar al sonido amplificado de una sirena que se acerca hacia nosotros de modo directo. El término hace referencia a la modificación de la frecuencia de los fotones –y, por tanto, de la luminosidad– generada por materia que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz (de ahí la denominación de materia relativista). Tan cercana en este caso que se ha descubierto que la velocidad del chorro de materia era 99,9% igual a la velocidad de la luz.
Sin embargo, aún se desconoce por qué algunos eventos de disrupción por mareas producen chorros y otros no. En el caso de AT2022cmc, la diferencia parece radicar en cómo rota el agujero negro supermasivo. Asimismo, una alta velocidad de rotación del agujero negro parece ser un ingrediente necesario para el lanzamiento de los chorros.
El rastreo constante de los cielos es esencial para detectar este tipo de eventos y a continuación poner en marcha un seguimiento con varios telescopios. En los próximos años, la aparición de telescopios más potentes –como por ejemplo el LSST, un telescopio de ocho metros que se está construyendo en Chile y que empezará a tomar datos a finales del 2024– podría dar lugar a la detección de más TDE que, a su vez, podrían esclarecer cómo crecen los agujeros negros supermasivos y cómo dan forma a las galaxias que los rodean.
Los peligros de acercarse más de la cuenta
¿Qué ocurre cuando una estrella moribunda se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo? Lo primero que sucede es que la estrella es violentamente desgarrada por las fuerzas gravitatorias de marea del agujero negro, similares a las que ejerce la Luna sobre la Tierra, pero con una fuerza descomunalmente mayor. Los astrónomos estimamos que aproximadamente la mitad de la masa de la estrella escapa a la atracción fatal del agujero negro, pero el resto de esa masa cae inevitablemente hacia él.
A continuación, trozos de la estrella son capturados en un disco que gira rápidamente en torno al agujero negro. Por último, el agujero negro consume lo que queda de la estrella en el disco. Esto es lo que los astrónomos llaman un evento de disrupción de marea (TDE, por sus siglas en inglés).
Sin embargo, en algunos casos extremadamente raros, el agujero negro supermasivo lanza ‘chorros relativistas’ tras destruir una estrella y, por supuesto, antes de que el agujero negro engulla por completo ese material que, si traspasara el horizonte de sucesos, nunca veríamos. Estos chorros relativistas son haces de materia que viajan a velocidades próximas a la de la luz. Uno de estos casos es el de AT2022cmc, detectado a partir del sondeo Zwicky Transient Facility (ZTF) en febrero de 2022.
ZTF escanea el cielo de modo sistemático, en busca de fenómenos transitorios, sin un objetivo específico. Los astrónomos desarrollaron un programa de código abierto que canaliza los datos obtenidos, con el objetivo de almacenar y extraer información importante del sondeo ZTF y alertar, de modo automático, sobre eventos atípicos en tiempo real. El rápido análisis de los datos de ZTF, equivalente a un millón de páginas de información cada noche, permitió a los astrónomos identificar rápidamente el TDE AT2022cmc y realizar observaciones de seguimiento que revelaron una luminosidad excepcionalmente alta en todo el espectro electromagnético, desde los rayos X hasta la banda radio.
Las observaciones de seguimiento realizadas con múltiples observatorios confirmaron que AT2022cmc se estaba desvaneciendo rápidamente y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral (ESO), en el desierto de Atacama, al norte de Chile, reveló que AT2022cmc se generó hace unos 12.800 millones de años, cuando el universo ‘apenas’ contaba con una edad de unos 900 millones de años y muchas galaxias estaban todavía formándose. La mayoría de los TDE detectadas se originan en el universo cercano y este evento es el ejemplo más lejano jamás observado; solo ha sido visible desde la Tierra debido a su excepcional brillo. Además, debido a que el chorro apunta casi hacia nosotros, también es la primera vez que se descubre en luz visible, proporcionando una nueva forma de detectar estos eventos extremos. Los resultados de estos estudios fueron publicados este año en las revistas ‘Nature’ y ‘Nature Astronomy’.
Las imágenes ópticas/infrarrojas del Telescopio Espacial Hubble y las observaciones de radio del Very Large Array, desde Nuevo México, señalaron la ubicación de AT2022cmc con extrema precisión. Los investigadores están convencidos de que AT2022cmc se encuentra en el centro de una galaxia que aún no es visible porque la luz de AT2022cmc la ocultaba, pero futuras observaciones con los telescopios espaciales Hubble o James Webb desvelarán la existencia de la galaxia, una vez que AT2022cmc se haya apagado del todo.
¿Por qué algunos TDE lanzan chorros relativistas y otros no?
“Un tubo de pasta de dientes que se aprieta con fuerza por el medio”, haciendo que el sistema “expulse materia por ambos extremos”. Así presentaba el concepto de evento de disrupción de marea (TDE) con chorro, en 1971, John Wheeler, el pionero de los agujeros negros. A partir de los datos obtenidos del ‘fogonazo’ AT2022cmc y comparándolos con los existentes, se ha estimado que los chorros relativistas se lanzan en solo el 1% de estos eventos destructivos, lo que hace de AT2022cmc un suceso extremadamente raro. La comunidad astronómica busca constantemente estos eventos extremos para comprender cómo se crean realmente los chorros de plasma y radiación y por qué una fracción tan pequeña de los TDE los producen.
Mientras tanto, sigue siendo un misterio por qué algunos TDE lanzan chorros mientras que otros no parecen hacerlo. A partir de las observaciones de AT2022cmc, la explicación que se desprende es que los agujeros negros que dan lugar a fenómenos como el de AT2022cmc probablemente giran con la suficiente rapidez para impulsar un chorro extremadamente luminoso. Esto sugiere que un giro rápido del agujero negro sería un ingrediente necesario para el lanzamiento de chorros, una idea que acerca a los investigadores a la comprensión de la física de los agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias a miles de millones de años luz de distancia.
La astronomía está cambiando rápidamente en los últimos años. En la actualidad, hay cada vez más sondeos de todo el cielo, en el óptico y en el infrarrojo, y otros se pondrán pronto en marcha. AT2022cmc servirá como modelo de lo que debemos buscar entre los miles de millones de objetos que los nuevos sondeos proporcionarán. Esto significa que, más que nunca, la minería de datos (‘big data’) será una herramienta importante y necesaria para avanzar en nuestro conocimiento del universo.
¿Qué hemos aprendido?
Hasta 21 observatorios, incluidos satélites en el espacio, han estudiado AT2022cmc en todas las bandas del espectro electromagnético, incluyendo longitudes de onda radio, pasando por el infrarrojo, el óptico, el ultravioleta y hasta la parte más energética de rayos X y gamma. Con toda esta artillería de datos, los astrónomos hemos podido aprender mucho sobre el propio evento (el TDE), pero también sobre el agujero negro que devoró la estrella, sobre la propia estrella y la propia galaxia. Hemos podido saber que la masa del agujero negro supermasivo no era tremendamente grande, con una masa inferior a 500 millones de masas solares. Si hubiera sido más masivo, habría engullido toda la estrella sin dejar rastro: ni un fotón hubiera escapado a una atracción gravitatoria tan brutal.
El agujero negro debe de estar rotando a un 30% de la velocidad de la luz, y los astrónomos creemos que esta rotación favorece el lanzamiento de un chorro relativista. La estrella fue muy probablemente una estrella enana, con una masa menor que la del sol. Las observaciones también sugieren que la galaxia huésped tiene una tasa de formación de estrellas hasta 100 veces mayor que la de nuestra galaxia. Y, por supuesto, pudimos caracterizar el TDE. Ocurrió a un desplazamiento al rojo de 1.2, es decir, hace unos 12.800 millones de años. Aunque su luminosidad intrínseca no es récord para un TDE (el Swift J1644+57 fue diez veces más luminoso en rayos X), se pudo detectar gracias al reforzamiento Doppler, lo cual indica que lanzó un chorro relativista casi directo hacia nosotros.
Miguel Pérez-Torres Investigador científico del CSIC en el Instituto de Astrofísica de Andalucía y colaborador de la Universidad de Zaragoza
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