Estrellas sobreviven a encuentros con agujeros negros supermasivos y producen destellos de luz

La mayoría de las galaxias se cree que albergan un agujero negro supermasivo en su centro, objetos que pueden pesar millones o incluso miles de millones de veces más que el sol, creando algunos de los ambientes gravitacionales más intensos del universo. Cuando una estrella se aproxima peligrosamente a uno de estos agujeros negros, la destrucción no siempre es inmediata. Algunas estrellas logran sobrevivir al encuentro y regresan para realizar pasadas adicionales, generando un nuevo destello de luz en cada ocasión.

Estos eventos, conocidos como eventos de disrupción tidal parcial repetidos (rpTDEs), permiten a los astrónomos observar la misma estrella interactuando con el mismo agujero negro múltiples veces. Las encuestas de tiempo en amplios campos hacen posible esto al escanear repetidamente grandes regiones del cielo y rastrear objetos cuya luminosidad cambia.

Sin embargo, algunos de estos sistemas han presentado un misterio para los astrónomos. En lugar de producir destellos similares en cada regreso, estos se vuelven progresivamente más tenues. Durante años, los modelos teóricos lucharon por reproducir este comportamiento.

Una nueva investigación de astrofísicos de la Universidad de Syracuse sugiere que una propiedad de la estrella, que había sido subestimada, podría proporcionar la respuesta: la rapidez con la que giraba antes de su primer encuentro cercano con el agujero negro. El estudio, publicado en The Astrophysical Journal, fue liderado por la estudiante de doctorado Ananya Bandopadhyay, junto con el investigador postdoctoral Benjamin Amend y el profesor asociado Eric Coughlin, todos del Departamento de Física, junto con colaboradores de otras instituciones.

Cómo los agujeros negros desintegran estrellas

En un evento de disrupción tidal estándar (TDE), la atracción gravitacional de un agujero negro varía tan fuertemente de un lado de una estrella cercana al otro que la estrella es completamente desgarrada. Los restos estelares resultantes comienzan a caer hacia el agujero negro o se "acrecen" a él. A medida que ese material pierde energía, libera luz durante períodos que van desde días hasta meses. Los agujeros negros en sí no emiten luz, pero un TDE proporciona temporalmente material que puede iluminar la región que lo rodea. Ese resplandor ofrece a los astrónomos una manera indirecta de investigar objetos que de otro modo serían invisibles.

No todos los encuentros terminan con la destrucción total de la estrella. Si una estrella pasa cerca de un agujero negro sin cruzar el umbral de la disrupción total, puede perder solo parte de su masa, produciendo un TDE parcial. Durante un rpTDE, el núcleo sobreviviente de la estrella permanece en órbita y regresa para encuentros cercanos adicionales, desprendiendo más material cada vez. Estas pasadas pueden ocurrir con meses o varios años de diferencia.

Por qué algunos destellos de agujeros negros siguen desvaneciéndose

La cantidad de material despojado de una estrella durante encuentros repetidos depende, en parte, de la estructura interna de la estrella. Bandopadhyay compara una estrella de baja masa con un merengue esponjoso. Tal estrella puede volverse cada vez más susceptible a las fuerzas tidal del agujero negro. Una estrella de mayor masa se comporta de manera diferente. Su material está más concentrado hacia el centro, con una estructura interna similar a la de una cebolla. Puede perder sus capas exteriores mientras su núcleo denso permanece relativamente sin cambios, lo que provoca que la cantidad de masa perdida disminuya en encuentros sucesivos.

Esas diferencias estructurales pueden ayudar a explicar por qué no todos los rpTDEs evolucionan de la misma manera. Pero una observación ha sido especialmente difícil de entender. De los aproximadamente 10 sistemas repetidos identificados hasta ahora, cuatro han mostrado destellos que se vuelven progresivamente más tenues. Podría parecer natural asumir que menores cantidades de material despojado simplemente producirían destellos más débiles. Sin embargo, simulaciones hidrodinámicas anteriores revelaron una complicación. Incluso cuando la estrella perdía menos material durante cada paso, los modelos todavía predecían destellos con un brillo máximo aproximadamente igual.

"Nos sentimos desconcertados por esto durante dos años", afirmó Bandopadhyay. Su trabajo anterior descubrió otra consecuencia importante de las fuerzas tidal del agujero negro. Además de arrancar material de la estrella, esas fuerzas también aplican torque, haciendo que la estrella gire más rápido después de cada encuentro cercano. Esa rotación aumentada cambia la rapidez con la que el material despojado regresa hacia el agujero negro. A pesar de que menos material regresa, lo hace en un período de tiempo más corto. El flujo más concentrado ayuda a mantener una tasa de caída máxima similar y, por lo tanto, un brillo de destello aproximadamente igual.

Una estrella que gira rápidamente cambia el panorama

Para reproducir los destellos desvanecidos que los astrónomos realmente observan, los investigadores necesitaron lo que Bandopadhyay llamó "un nuevo ingrediente": una estrella que ya estaba rotando rápidamente antes de su primer encuentro con el agujero negro. Las nuevas simulaciones sugieren que tal estrella no puede ser acelerada tanto durante los pasos posteriores. Sin un gran aumento en la rotación después de cada encuentro, el tiempo requerido para que el material despojado caiga de regreso hacia el agujero negro permanece relativamente constante. Eso cambia el resultado. A medida que se despoja progresivamente menos material de la estrella, la tasa de caída máxima también disminuye. El destello predicho puede entonces volverse más tenue con cada encuentro, coincidiendo con lo que los astrónomos han observado.

Cómo la estrella pudo haber sido capturada

El hallazgo plantea otra pregunta: ¿por qué una estrella que se aproxima a un agujero negro supermasivo ya giraría tan rápido? "También es extremadamente difícil 'atrapar' a una estrella en un agujero negro supermasivo de manera tan apretada que orbite alrededor del agujero negro en cuestión de meses, y sin embargo parece que lo hacen en rpTDEs", afirmó Coughlin. Un proceso conocido como el mecanismo de Hills podría proporcionar una explicación tanto para la rápida rotación como para la inusualmente estrecha órbita de la estrella.

En este escenario, dos estrellas que orbitan de cerca entre sí se acercan a un agujero negro supermasivo. La gravedad del agujero negro desgarra el sistema binario. Una estrella es lanzada lejos, mientras que la otra es capturada en órbita alrededor del agujero negro. Las estrellas en un binario muy cercano pueden volverse bloqueadas tidalmente, lo que significa que cada estrella gira sobre su eje a la misma velocidad que el par orbita entre sí. Cuanto más estrecho es el binario, más corto es el período orbital y más rápido debe rotar una estrella bloqueada tidalmente.

Para dejar una estrella capturada en la órbita corta observada en los rpTDEs, el sistema binario original tendría que ser extremadamente compacto. Esa misma configuración ajustada produciría naturalmente una estrella que gira rápidamente, bloqueada tidalmente, antes de que el agujero negro la capturara.

"El trabajo de Ananya demuestra que cada una de estas peculiaridades puede explicarse por el mismo fenómeno subyacente: la destrucción tidal de un sistema binario y la captura de una de las estrellas", comentó Coughlin. "Desde un punto de vista teórico, este es un gran avance en nuestra comprensión de la física en juego en estos sistemas".

Una posible conexión con la Vía Láctea

Las implicaciones pueden extenderse más allá de los lejanos sistemas de destellos repetidos. Coughlin señala que la captura de Hills también podría ser responsable de algunas de las estrellas que ahora orbitan a Sagittarius A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. Si es así, el mismo mecanismo que podría explicar los destellos desvanecidos de los rpTDE también podría ayudar a los astrónomos a entender algunas de las poblaciones estelares inusuales que rodean el agujero negro en lo que Coughlin llama "nuestro propio patio cosmológico".

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