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14/06/2018

Fotografían por primera vez la erupción de un agujero negro al desgarrar una estrella

Los resultados del estudio, donde participan Petar Mimica y Miguel Ángel Aloy, investigadores del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València, se han publicado en la revista Science.



AUTOR: UV

Agujero negroEn enero de 2005 se detectó en el núcleo de la galaxia en proceso de fusión Arp 299-B (que se encuentra a una distancia de casi 150 millones de años luz de la Tierra) un brillante destello que se consideró una explosión supernova. Sin embargo, 10 años de observaciones en distintas longitudes de onda han permitido a los investigadores presenciar cómo la región luminosa se alargaba y expandía, y concluir que se trata de un chorro de material expulsado por el agujero negro supermasivo central de la galaxia tras desgarrar una estrella.

 

Los resultados del estudio, que está liderado por los investigadores Seppo Mattila, de la Universidad de Turku (Finlandia) y Miguel Pérez Torres, del Instituto de Astrofísica de Andalucía del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IAA-CSIC), y donde también participan Petar Mimica y Miguel Ángel Aloy, investigadores del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València, se publican en la revista Science.

 

Según los modelos teóricos, en los eventos de disrupción por fuerzas de marea, en los que un agujero negro desgarra una estrella, la mitad de la masa estelar es expulsada al espacio, mientras que la otra mitad es absorbida por el agujero negro supermasivo. La súbita inyección de material produce un brillante destello (visible en rayos gamma, rayos X y óptico), seguido de emisiones transitorias en radio y de la formación de un chorro de material que se mueve inicialmente a velocidades muy cercanas a la de la luz.

 

“Nunca antes se había podido observar directamente la formación y evolución de un chorro como consecuencia de este fenómeno”, apunta Miguel Pérez-Torres, investigador del CSIC en el Instituto de Astrofísica de Andalucía, y que se doctoró en el departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Valencia.

 

“Con el paso del tiempo, el nuevo objeto se mantuvo brillante en las longitudes de onda infrarroja y de radio, pero no en las longitudes de onda visibles y de rayos X. Esto se debe, probablemente, a la presencia de polvo denso (además de gas frío) presente en el centro de la galaxia, el cual absorbió los rayos X y la luz visible, los reprocesó y, a continuación los irradió nuevamente, pero en la banda infrarroja”, señala el científico Seppo Mattila, de la Universidad de Turku.

 

Los investigadores utilizaron el Telescopio Óptico Nórdico en las Islas Canarias y el telescopio espacial Spitzer de la NASA para seguir la fuente de radiación emisión infrarroja. Afortunadamente, las ondas de radio no son absorbidas por el polvo que rodea el centro galáctico, sino que se abren paso a través de ellas y eventualmente llegan a la Tierra. Solo la presencia de gas suficientemente frío y denso puede absorber total o parcialmente la emisión de radio de baja frecuencia de las proximidades del centro galáctico de Arp 299-B. Aprovechando este hecho, ha sido posible realizar observaciones continuas con una red internacional de radiotelescopios, incluyendo la Red Europea de radiointerferometría (EVN, por sus siglas en inglés).

 

“Acumular datos pacientemente durante casi una década nos trajo un gran premio”, declaró Miguel Pérez Torres, responsable de las observaciones radiointerferométricas que revelaron que la fuente de emisión de radio se está expandiendo en una dirección, tal como se esperaba para un chorro. Estas observaciones permitieron determinar que el material en el chorro se movía a un promedio de 75.000 kilómetros por segundo (un cuarto de la velocidad de la luz), así como que “el chorro se estaba desacelerando”, dijo Petar Mimica, de la Universidad de Valencia, quien añadió que “las simulaciones numéricas realizadas en el Departamento de Astronomía y Astrofísica fueron cruciales para determinar la energía total del chorro y la densidad del gas en el medio circundante”.

 

La combinación de observaciones a distintas longitudes de onda durante todo este tiempo permitió al equipo de investigadores descartar escenarios como una explosión de supernova o una explosión de rayos gamma, determinando que la explicación más probable era que el agujero negro supermasivo de Arp 299-B, con unos 20 millones de masas solares, hubiera desgarrado una estrella con una masa entre dos y seis veces la de nuestro Sol. Sin embargo, optar por esta explicación en lugar de otra más convencional en la que el chorro estuviera producido por un núcleo galáctico activo (AGN, por sus siglas en inglés) no fue un proceso sencillo.

 

“Tuvimos que recurrir a un modelado numérico de vanguardia, que realizamos en los superordenadores de la Universitat de València”, apuntó Mimica. “Fue necesario confeccionar cientos de modelos numéricos diferentes para calcular un escenario coherente que pudiese explicar cómo un chorro puede producir la emisión de radio observada”, dijo Mimica. La dificultad radica en el hecho de que lo que observamos no es el chorro, sino su huella radiativa.

 

“En realidad, podemos pensar en el chorro como un río y la materia que emite en ondas de radio como una mancha de aceite ardiendo sobre su superficie. De noche no veremos el agua que fluye en el lecho del río, sino la llama brillante producida por la combustión del aceite” explicó Aloy. “Comprender si hay un río e incluso ir más allá y conectar el movimiento del río con el del punto de combustión solo se puede hacer usando una simulación numérica extremadamente precisa”, declaró Aloy.

 

El mejor modelo que se puede construir requiere de dos elementos básicos. En primer lugar, el chorro tenía que estar extremadamente desalineado con respecto al eje de rotación de la galaxia, lo que es difícilmente compatible con un chorro producido en un AGN. En segundo lugar, el chorro necesitaba atravesar la nube de polvo y gas que rodea el agujero negro supermasivo central. “Reuniendo ambos elementos llegábamos a una explicación tan convincente como sorprendente, ya que la misma nube que oscurecía el chorro en rayos X y en el rango visible era la clave para entender la velocidad relativamente baja del chorro, su desaceleración y la absorción parcial (pero incompleta) de las ondas de radio en las primeras épocas observadas”, puntualizó Aloy.

 

Los agujeros negros dormidos

 

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 típica compuesta por un disco de gas y polvo (el disco de acrecimiento), que absorbe el material de su entorno y, en los casos en que el agujero negro se encuentra activo, un par de chorros de partículas a velocidades relativistas que emergen de los polos. Este fenómeno de eyección de chorros es muy común en radio-galaxias, cuásares y genéricamente en AGNs.

 

“Sin embargo, los agujeros negros supermasivos pasan una gran cantidad de tiempo sin devorar nada, por lo que no están particularmente activos. Los eventos de disrupción por mareas, como el ocurrido en Arp299-B, nos ofrecen una oportunidad única para estudiar la vecindad de estos poderosos objetos”, explica el científico del CSIC. Y añade Mattila que “debido a que las regiones centrales de las galaxias contienen mucho polvo, que absorbe la luz en rayos X y óptico, es posible que estos sucesos sean mucho más habituales pero hayan pasado desapercibidos”.

 

Se cree que estos eventos fueron más comunes en el universo temprano, por lo que su estudio contribuye a entender el entorno en el que se desarrollaron las galaxias hace miles de millones de años. En el trabajo han colaborado investigadores de 26 instituciones internacionales, entre ellas la Universidad de Valencia y el Centro de Astrobiología (centro mixto del CSIC y el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial).

 


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