Desentrañar el misterio de los eventos de perturbación de las mareas

El universo es un lugar violento, por lo que la vida de una estrella puede acortarse aquí. Esto sucede cuando una estrella se encuentra en un vecindario «malo», específicamente cerca de un cúmulo masivo. Agujero negro.

Estos agujeros negros, que cuentan con una masa de millones o incluso miles de millones de veces mayor que nuestro sol, se encuentran generalmente en los centros de galaxias tranquilas. A medida que la estrella se aleja del agujero negro, experimenta un tirón gravitacional ascendente desde el agujero negro supermasivo, que finalmente supera las fuerzas que mantienen intacta la estrella. Esto da como resultado que la estrella se interrumpa o destruya, un evento conocido como evento de interrupción de marea (TDE).

«Después de que la estrella se rompe, su gas forma un disco de acreción alrededor del agujero negro. Se pueden observar ráfagas brillantes del disco en casi todas las longitudes de onda, particularmente con telescopios y satélites que detectan rayos X», dice el investigador postdoctoral Yannis Lioudakis de la Universidad de Turku y el Centro de Astronomía de Finlandia. ESO (vinca).

Hasta hace poco, solo unos pocos investigadores conocían el TDE, ya que no había muchos experimentos capaces de detectarlo. Sin embargo, en los últimos años, los científicos han desarrollado herramientas para monitorear más TDE. De manera interesante, pero quizás no sorprendente, estas observaciones han conducido a nuevos misterios que los investigadores están estudiando actualmente.

«Las observaciones de experimentos a gran escala con telescopios ópticos han revelado que una gran cantidad de TDE no producen rayos X a pesar de que se pueden detectar claramente ráfagas de luz visible. Este hallazgo contradice nuestra comprensión básica de la evolución de la materia estelar interrumpida en los TDE», señala Liodakis.

En un evento de interrupción de las mareas, una estrella se mueve lo suficientemente cerca de un agujero negro supermasivo que la atracción gravitacional del agujero negro dobla la estrella hasta que se destruye (Imagen 1). La materia interestelar de la estrella destruida forma una corriente elíptica alrededor del agujero negro (imagen 2). Los choques de marea se forman alrededor del agujero negro cuando el gas choca contra sí mismo en su camino de regreso después de orbitar el agujero negro (imagen 3). Los choques de marea crean ráfagas brillantes de luz polarizada observables en longitudes de onda ópticas y ultravioleta. Con el tiempo, el gas de la estrella destruida forma un disco de acreción alrededor del agujero negro (imagen 4) a medida que se introduce lentamente en el agujero negro. Nota: el tamaño de la imagen no es exacto. Crédito: Jenny Gurmaninen

Un estudio publicado en la revista Ciencias Un equipo internacional de astrónomos dirigido por el Centro Finlandés de Astronomía con ESO sugiere que la luz polarizada proveniente del TDE puede ser la clave para resolver este rompecabezas.

En lugar de formar un disco de acreción de rayos X brillante alrededor del agujero negro, el estallido observado en la luz óptica y ultravioleta detectada en muchos TDE podría originarse a partir de choques de marea. Estos choques se forman lejos del agujero negro cuando el gas de la estrella destruida choca contra sí mismo en su camino de regreso después de orbitar el agujero negro. El disco de acreción de rayos X brillante se formaría más tarde en estos eventos.

«La polarización de la luz puede proporcionar información única sobre los procesos fundamentales en los sistemas astrofísicos. La luz polarizada que medimos del TDE solo puede explicarse por estos choques de marea», dice Lioudakis, autor principal del estudio.

La luz polarizada ha ayudado a los investigadores a comprender la destrucción de estrellas

El equipo recibió una alerta pública a fines de 2020 del satélite Gaia de un evento nuclear transitorio en una galaxia cercana identificada como AT 2020mot. Luego, los investigadores observaron AT 2020mot en una amplia gama de longitudes de onda, incluidas las observaciones de polarización óptica y espectroscopia realizadas en el Telescopio Óptico Escandinavo (NOT), propiedad de la Universidad de Turku. Las observaciones realizadas en NOT fueron particularmente útiles para hacer posible este descubrimiento. Además, se realizaron observaciones de polarización como parte de un curso de astronomía observacional para estudiantes de secundaria.

«El telescopio óptico escandinavo y el polarímetro que usamos en el estudio han sido fundamentales en nuestros esfuerzos por comprender los agujeros negros supermasivos y sus entornos», dice la investigadora doctoral Jenny Jormaninen de FINCA y la Universidad de Turku, quien dirigió las observaciones y análisis de polarización con NOT.

Los investigadores descubrieron que la luz óptica procedente de AT 2020mot estaba muy polarizada y cambiaba con el tiempo. A pesar de muchos intentos, ni los telescopios de radio ni los de rayos X han podido detectar la radiación del evento antes, durante o incluso meses después del pico de la erupción.

«Cuando vimos cuán polarizado estaba AT2020mot, inmediatamente pensamos en un chorro que se liberaba de un agujero negro, ya que a menudo observamos alrededor de agujeros negros supermasivos que acumulan gas circundante. Sin embargo, no se encontró ningún chorro», dice Elena Lindfors, investigadora académica de la Universidad de Turku y Fenca.

El equipo de astrónomos se dio cuenta de que los datos coincidían estrechamente con un escenario en el que una corriente de gas interestelar choca consigo misma y forma protuberancias cerca del centro y el frente de su órbita alrededor del agujero negro. Luego, los choques amplifican el campo magnético y lo organizan en la corriente estelar que, naturalmente, dará como resultado una luz altamente polarizada. El nivel de polarización óptica era demasiado alto para ser explicado por la mayoría de los modelos, y el hecho de que cambiara con el tiempo lo hacía aún más difícil.

«Todos los modelos que analizamos no podían explicar las observaciones, excepto el modelo de choque de mareas», señala Kari Kollionen, quien era astrónoma en FINCA en el momento de las observaciones y ahora trabaja en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU).

Los investigadores continuarán monitoreando la luz polarizada proveniente de los TDE y es posible que pronto descubran más sobre lo que sucede después de que una estrella choca.

Referencia: «Polarización óptica de colisión de choque de corriente estelar en un evento de perturbación de marea» por I.A. Leodakis, KII Koljonen, D. Blinov, E. Lindfors, KD Alexander, T. Hovatta, M. Berton, A. Hajela, J. Jormanainen, K. Kouroumpatzakis, N. Mandarakas and K.
DOI: 10.1126/ciencia.abj9570