Detectan el chorro de materia que nace de un agujero negro supermasivo al devorar una estrella

A principios de 2022, el telescopio ZFT (Zwicky Transient Facility) del Observatorio Palomar (EEUU) detectó un extraordinario destello donde, la noche anterior, no brillaba nada. Con una intensidad equivalente a mil billones de soles, este fenómeno fue estudiado por distintos grupos científicos. Ahora, se publican en Nature y Nature Astronomy dos artículos en los que participan el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), ambos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, junto al Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), que coinciden en el origen del destello: se trata de un jet o chorro de materia relativista producido por un agujero negro supermasivo 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 (disco de acrecimiento) que absorbe el material de su entorno. "Gran parte del tiempo, sin embargo, los agujeros negros supermasivos no devoran nada –explica Miguel Pérez-Torres, investigador del IAA-CSIC que participa en el artículo de Nature Astronomy–. Así, un fenómeno como este, que conocemos como eventos de disrupción por mareas (TDE, por sus siglas en ingles), puede brindarnos una oportunidad única para estudiar la vecindad de estos poderosos objetos”. 

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 en el proceso de destrucción y acreción del material de una estrella –señala José Feliciano Agüí Fernández, investigador del IAA-CSIC y coautor del trabajo publicado en Nature–. Los cálculos apuntan a que estos chorros se producen solo en el 1% de los casos, y eso fue precisamente lo que observamos”.

De hecho, el destello luminoso del evento denominado AT2022cmc se encuentra entre los más brillantes jamás observados. La fuente es también la más lejana detectada, a unos 8.500 millones de años luz de distancia. Parece hallarse en el centro de una galaxia que aún no es visible porque la luz de AT2022cmc la eclipsó. Sin embargo, 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 la Tierra? Los dos trabajos que analizan el fenómeno concluyen que el chorro del agujero negro podría estar apuntando directamente hacia la Tierra, lo que provoca que la señal parezca más brillante que si el chorro apuntara en cualquier otra dirección. El efecto, denominado refuerzo Doppler, es similar al sonido amplificado de una sirena y 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 (materia relativista). En este caso, los investigadores descubrieron que la velocidad del chorro de materia es 99,9 % igual a la velocidad de la luz.

Vídeo animado de AT2022cmc realizado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). / Dheeraj Pasham (MIT), Matteo Lucchini (MIT) and Margaret Trippe.

Para generar un chorro de materia tan intenso, el agujero negro debe encontrarse en una fase extremadamente activa, lo que el científico del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) Dheeraj Pasham califica de “un frenesí de hiperalimentación. Probablemente se esté tragando la estrella a razón de la mitad de la masa del Sol por año".

Este hallazgo supone la observación del primer TDE con refuerzo Doppler desde 2011, el primero descubierto a partir de un estudio óptico del cielo y el cuarto detectado en toda la historia. “El constante monitoreo de los cielos es esencial para detectar este tipo de eventos lo antes posible, para luego hacer un seguimiento arduo de estos con múltiples telescopios”, afirma el investigador postdoctoral del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) Tomás E. Müller Bravo, coautor del estudio publicado en Nature Astronomy.

En los próximos años, la aparición de telescopios más potentes podría dar lugar a la detección de más eventos de disrupción de marea que, a su vez, podrían esclarecer cómo crecen los agujeros negros supermasivos y cómo dan forma a las galaxias que los rodean. “El descubrimiento de este TDE tan lejano demuestra que podemos encontrar más en el futuro a esas distancias tan lejanas con el proyecto LSST, un telescopio de ocho metros que se está construyendo en Chile y que empezará a tomar datos a finales del 2024”, añade Lluís Galbany, investigador postdoctoral del ICE-CSIC y del IEEC que participa en el artículo publicado en Nature Astronomy.

Sin embargo, aún se desconoce por qué algunos eventos de disrupción por mareas producen chorros y otros no. “Nuestro trabajo apunta a que, probablemente, la diferencia radique en cómo rota el agujero negro supermasivo, y que una velocidad de rotación alta sea un ingrediente necesario para el lanzamiento de los chorros, una idea que nos acerca a la comprensión de la física de los agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias situadas a miles de años luz de distancia”, concluye Agüí Fernández.

IAA-CSIC / ICE-CSIC Comunicación