Una estrella es convertida en espaguetis por un agujero negro supermasivo

Los gigantescos agujeros negros en el centro de galaxias como nuestra propia Vía Láctea son conocidos por devorar ocasionalmente estrellas cercanas. Esto conduce a un proceso dramático y complejo a medida que la estrella que se precipita hacia el agujero negro supermasivo es espaguetificada y hecha añicos. Los fuegos artificiales resultantes se conocen como un evento de disrupción por marea.

En un nuevo estudio publicado hoy en The Astrophysical Journal Letters, hemos producido las simulaciones más detalladas hasta la fecha de cómo este proceso evoluciona a lo largo de un año.

Un agujero negro destrozando un sol

Los astrónomos estadounidenses Jack G. Hills y el británico Martin Rees teorizaron por primera vez sobre los eventos de disrupción por marea en las décadas de 1970 y 1980. La teoría de Rees predijo que la mitad de los escombros de la estrella permanecerían ligados al agujero negro, colisionando entre sí para formar un remolino caliente y luminoso de materia conocido como disco de acreción. El disco sería tan caliente que debería irradiar una cantidad copiosa de rayos X.

Impresión artística de una estrella moderadamente caliente, muy diferente a cómo sería un agujero negro con un disco de acreción caliente.
Merikanto/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Pero para sorpresa de todos, la mayoría de los más de 100 eventos candidatos de disrupción por marea descubiertos hasta la fecha han demostrado brillar principalmente en longitudes de onda visibles, no en rayos X. Las temperaturas observadas en los escombros son apenas de 10.000 grados Celsius. Eso es como la superficie de una estrella moderadamente caliente, no los millones de grados esperados del gas caliente alrededor de un agujero negro supermasivo.

Aún más extraño es el tamaño inferido del material luminoso alrededor del agujero negro: varias veces más grande que nuestro Sistema Solar y expandiéndose rápidamente lejos del agujero negro a unos pocos por ciento de la velocidad de la luz.

Dado que incluso un agujero negro de un millón de masas solares es solo un poco más grande que nuestro Sol, el enorme tamaño de la bola luminosa de material inferido de las observaciones fue una total sorpresa.

Mientras que los astrofísicos han especulado que el agujero negro debe estar de alguna manera ahogado por material durante la disrupción para explicar la falta de emisiones de rayos X, hasta la fecha nadie había podido mostrar cómo ocurre esto realmente. Aquí es donde entran nuestras simulaciones.

Un sorbo y un eructo

Los agujeros negros son comedores desordenados, no muy diferentes a un niño de cinco años con un plato de espaguetis. Una estrella comienza como un cuerpo compacto pero se espaguetifica: se estira hasta convertirse en una larga y delgada hebra por las mareas extremas del agujero negro.

A medida que la mitad de la materia de la ahora destrozada estrella es sorbida hacia el agujero negro, solo el 1% es realmente tragado. El resto termina siendo expulsado del agujero negro en una especie de «eructo» cósmico.

Simular eventos de disrupción por marea con una computadora es difícil. Las leyes de la gravedad de Newton no funcionan cerca de un agujero negro supermasivo, por lo que se deben incluir todos los extraños y maravillosos efectos de la teoría general de la relatividad de Einstein.

Pero el trabajo duro es para lo que sirven los estudiantes de doctorado. Nuestro reciente graduado, David Liptai, desarrolló un nuevo método de simulación siguiendo las leyes de Einstein que permitió al equipo experimentar lanzando estrellas desprevenidas en la dirección general del agujero negro más cercano. Incluso puedes hacerlo tú mismo.

Espaguetificación en acción, una vista cercana de la mitad de la estrella que regresa al agujero negro.

Las simulaciones resultantes, vistas en los videos aquí, son las primeras en mostrar eventos de disrupción por marea desde el sorbo hasta el eructo.

Siguen la espaguetificación de la estrella hasta que los escombros caen de nuevo en el agujero negro, luego un acercamiento que convierte la corriente en algo parecido a una manguera de jardín serpenteante. La simulación dura más de un año después de la inmersión inicial.

Tomó más de un año ejecutarla en una de las supercomputadoras más poderosas de Australia. La versión ampliada es así:

Vista ampliada, mostrando los escombros de una estrella que en su mayoría no es absorbida por el agujero negro y en su lugar es expulsada en un flujo en expansión.

¿Qué descubrimos?

Para nuestra gran sorpresa, encontramos que el 1% del material que cae al agujero negro genera tanto calor que impulsa un flujo extremadamente poderoso y casi esférico. (Muy parecido a esa vez que comiste demasiado curry, y por la misma razón.)

El agujero negro simplemente no puede tragar tanto, por lo que lo que no puede consumir asfixia el motor central y es expulsado constantemente.

Cuando se observa como lo harían nuestros telescopios, las simulaciones explican mucho. Resulta que los investigadores anteriores tenían razón sobre la asfixia. Se ve así:

La misma espaguetificación vista en los otros videos, pero como se vería con un telescopio óptico [si tuviéramos uno lo suficientemente bueno]. Parece una burbuja hirviente. La hemos llamado «envoltura de Eddington».

Las nuevas simulaciones revelan por qué los eventos de disrupción por marea realmente se ven como un sol del tamaño de un sistema solar que se expande a unos pocos por ciento de la velocidad de la luz, impulsado por un agujero negro en su interior. De hecho, uno podría incluso llamarlo un “sol de agujero negro”.

Daniel Price, Profesor de Astrofísica, Universidad Monash

Este artículo ha sido republicado de The Conversation bajo una licencia de Creative Commons. Lee el artículo original.

Foto principal: Price et al. (2024)

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