Agujeros negros supermasivos devorando estrellas…¿O no?

Título del artículo original: Large Decay of X-ray Flux in 2XMM J123103.2+110648: Evidence for a Tidal Disruption Event

Autores: Dancheng Lin, Oliver Godet, Luis C. Ho, Didier Barret, Natalie A. Webb, Jimmy A. Irwin

Institución del primer autor: Space Science Center, University of New hampshire, Durham, Estados Unidos.

Estado de la publicación: Aceptado en el Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS)

Figura 1: Ilustración artística de un evento de disrupción por marea. La nube roja es lo que queda de una estrella que se acercó demasiado a un agujero negro. Las fuerzas gravitatorias de marea la han desgarrado, liberando mucha energía en forma de rayos X (azul) mientras cae inexorablemente a las fauces del agujero negro. Crédito: NASA/CXC/M.Weiss.

El satélite europeo XMM-Newton, uno de los observatorios de rayos X más sofisticados y productivos lanzados al espacio, apuntó en diciembre de 2005 a una diminuta galaxia apenas visible con grandes telescopios, con el nada poético nombre de SDSS J123103.24+110648.6. Es una pequeña galaxia enana, de tamaño similar al de las Nubes de Magallanes que orbitan la Vía Láctea (ver figura 2). A pesar de parecer poco impresionante a primera vista, posee un apasionante misterio que involucra agujeros negros enormes y estrellas siendo devoradas. Dos años antes el mismo satélite había detectado una fuente intensa de rayos X en esa misma galaxia, y para sorpresa de los investigadores, en 2005 su  intensidad (o brillo) había aumentado. Le dieron seguimiento varios años después con otros observatorios espaciales de rayos X, Swift en 2014 y Chandra en 2016. Esta vez había pasado algo más extraño aun: ¡la intensidad había disminuido 26 veces!

Figura 2: Imagen de SDSS de la galaxia J123103.24+110648.6. Una pequeña galaxia enana, muy poco impresionante a primera vista, pero que encierra un misterio. Crédito: SDSS DR13 sky sever.

Aunque había algunas ideas de por qué esto podría ocurrir, existen muy pocos precedentes, y era necesario buscar más pistas que pudieran revelar la naturaleza del misterio. Desde el comienzo, este extraño comportamiento apuntaba a un culpable: un núcleo galáctico activo (AGN por sus siglas en inglés), es decir, un agujero negro supermasivo, de millones de veces la masa del Sol, que atrapa materia. Esta materia se calienta mucho mientras cae y emite radiación muy intensa en todo el espectro electromagnético, incluidos los rayos X.  Sin embargo, algo no cuadra: se suele clasificar los rayos X según su dureza, es decir la cantidad de energía que transportan sus fotones; en los AGN es común encontrar un exceso (es decir, mucha potencia) en rayos X blandos (los de menor energía) y una componente apreciable en rayos X duros (de mayor energía). Sin embargo esta última componente no pudo observarse. Además,  los AGN son conocidos por mostrar una gran variabilidad de su brillo en el espectro óptico, atribuida a variaciones en la cantidad y la velocidad con la que el agujero negro acreta materia. Ésta variación suele ser mínima o inexistente en rayos X, conociéndose muy pocos casos en que varíen tanto como en esta galaxia.

Era necesario corroborar si esa galaxia tan pequeña posee realmente algún AGN y para ello recurrieron a la banda óptica. El espectro óptico, tomado por el proyecto Sloan Digital Sky Survey (SDSS) en 2012, mostraba líneas de emisión estrechas muy brillantes compatibles con la presencia de un AGN tipo Seyfert 2 de baja luminosidad. Sin embargo no se puede descartar que dichas líneas se deban a la presencia de formación estelar. De cualquier forma, del ancho de esas líneas se puede deducir la presencia de un agujero negro supermasivo de unas cien mil masas solares, unas diez veces menor que el que hay en el centro de la Vía Láctea (otras estimaciones apuntan a masas  cuatro veces menores que el de nuestra Galaxia).

Hasta ahora tenemos  algunas piezas del rompecabezas, pero no terminan de encajar: un agujero negro supermasivo de muy baja actividad, exceso de rayos X blandos con una disminución muy grande y lenta en su brillo que no es fácil de explicar, y la ausencia de rayos X duros.

Podemos obtener más pistas si entendemos mejor como se generan los rayos X. En este caso hay dos procesos candidatos. Los rayos X de origen térmico, generados debido a las altas temperaturas que alcanza el material en el disco de acreción formado por la materia al caer hacia el agujero negro, donde el pico de emisión de su espectro puede llegar a estar en el rango de los rayos X. No obstante, mientras más masivo es el agujero negro, es más difícil que el disco alcance altas temperaturas, siendo generalmente este mecanismo sólo relevante en los agujeros negros de masa estelar o intermedia, donde los discos de acreción pueden llegar a temperaturas de millones de grados en sus partes más internas.

En los agujeros negros supermasivos generalmente el disco alcanza temperaturas más bajas, estando su pico de emisión en el ultravioleta. En este caso los rayos X surgen de un fenómeno más complejo e interesante: la llamada comptonización. Las partes más internas del disco de acreción están tan calientes que los electrones y nucleos atómicos adquieren una gran velocidad (térmica) y logran escapar del disco, formando una nube de plasma (llamada corona)  muy caliente que flota por encima del disco (es decir, el disco se evapora). Cuando un fotón de luz ultravioleta escapa del disco puede entrar a esa nube y chocar un electrón de alta energía. El electrón transfiere parte de su energía al fotón, pasando este de ser ultravioleta a ser de rayos X. Se cree que este es el principal mecanismo (también llamado efecto Compton inverso, ver figura 3) de producción de rayos X en AGNs y agujeros negros de gran masa.

Figura 3: Ilustración del efecto compton inverso: un fotón de baja energía (ultravioleta en el caso de la comptonización en AGN) colisiona con un electrón de alta velocidad. Parte de la energía del electrón se transfiere al fotón que sale con una frecuencia correspondiente a los rayos X. Crédito: chandra.harvard.edu.

¿Cuál es el mecanismo responsable en el caso de SDSS J123103.24+110648.6?  Su espectro de rayos X es de origen térmico en las últimas observaciones de Swift y Chandra, además la magnitud de la variación del brillo (recordemos, un factor de 26) y el largo tiempo que ha tomado (al menos 13 años) no parece compatible ni con los modelos ni con las observaciones de AGN conocidos. Aunque esta opción no puede descartarse, los autores sugieren una alternativa: un evento de disrupción por marea.

Un evento de disrpución por marea (O TDE por sus siglas en inglés) ocurre cuando una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo. Las fuerzas de marea gravitacionales empiezan a estirar la estrella hasta que la desgarran, rompiendola e integrándola en su disco de acreción.  Éste proceso libera grandes cantidades de energía (ver figura 1 y el video al final de este post, de un evento similar). Los autores probaron modelos teóricos de TDE en simulaciones de discos de acreción para el caso de un agujero negro de masa similar a la del que nos ocupa, tragándose una estrella de tipo solar. El resultado (figura 4), mostró un aumento de brillo (outburst) de una duración aproximada de un mes, que parece coincidir con la primera observación de 2003, luego un periodo de brillo casi constante de unos 4 años donde ocurre comptonización (que solo puede ocurrir en ciertas condiciones especiales de velocidad de acreción de la estrella respecto al disco previamente formado) y finalmente un descenso del brillo profundo y lento a lo largo de unos 10 años, donde se supone que se hicieron las mediciones más recientes. En esta última fase el espectro de rayos X se espera que sea de tipo térmico, tal como se ha observado con los datos más recientes de Swift y Chandra.

Figura 4, arriba: Variación de la luminosidad en rayos X con el tiempo. Los símbolos muestran las observaciones hechas por los autores con diferentes telescopios (cuadrados para XMM-Newton, rombo para Swift y triángulo para Chandra). Abajo: simulaciones de las observaciones con un modelo de disco de acreción (mismos símbolos, pero para luminosidad bolométrica), con un ajuste para un evento TDE (línea punteada). Crédito: Figura 5 del artículo.

Todas las pistas parecen indicar que en esa pequeña e insignificante galaxia, un enorme agujero negro ha atrapado, estirado, desgarrado y devorado una estrella. Sin embargo aun faltan piezas. Que la causa sea la actividad “normal” del disco de acreción de un AGN no puede descartarse del todo: es posible que la radiación X dura no sea visible porque está debajo de los límites de detección de los telescopios.   Además, los espectros de XMM-Newton no permiten aclarar si en la fase de mayor brillo el espectro era de tipo comptonizado como se espera en un TDE o de tipo térmico, que requeriría mayores explicaciones.  Es posible que de tratarse de  un verdadero  TDE,  la violencia de dicho evento haya destruido la corona responsable de emitir los rayos X duros del AGN.  Es decir, parece que los autores del artículo lograron construir un escenario creíble basado en evidencia para explicar las observaciones, sin embargo la última palabra no está dicha, y el misterio de lo que aconteció durante trece años en esa remota y pequeña galaxia continúa sin resolverse completamente.