Crédito: ESO/M. Kornmesser
Título del artículo técnico: Dynamical Unification of Tidal Disruption Events
Autores: Lars L. Thomsen, Tom M. Kwan, Lixin Dai, Samantha C. Wu, Nathaniel Roth, Enrico Ramirez-Ruiz
Institución del primer autor: Departamento de física, Universidad de Hong Kong
Estado: Publicado en ApJ Letters (acceso abierto)
Astrobite original: https://astrobites.org/2023/01/30/unified_tdes/ por Megan Masterson, editado por Delaney Dunne y Catherine Manea
Eventos de disrupción de marea y la dicotomía óptica/rayos-X
Una vez cada diez mil años más o menos, una desafortunada estrella vaga un poquito demasiado cerca del agujero negro supermasivo en el centro de su galaxia y padece un temido evento de disrupción de marea (TDE, por sus siglas en inglés). Un TDE ocurre cuando las fuerzas de marea del agujero negro exceden la gravedad de la propia estrella, causando que la estrella sea desgarrada y se vuelva una merienda para el agujero negro. Algo del material de la estrella formará temporalmente un disco de acreción alrededor del previamente calmado e inobservable agujero negro. Los primeros TDEs se encontraron con el satélite de rayos X ROSAT, el cual realizó el primer censo de todo el cielo en rayos X en la década de 1990. ROSAT descubrió cuatro TDEs, todos con emisión muy blanda en rayos X (~30-200 eV, es decir, rayos X de baja energía) consistente con la formación de un disco de acreción. ¡Exactamente lo que los teóricos habían predicho una década antes!
Sin embargo, las cosas se han vuelto mucho más complicadas en décadas recientes. Ahora hay dos clases principales de TDEs: TDEs de rayos X, como los descubiertos por ROSAT, y TDEs ópticos, descubiertos por censos ópticos como la instalación Zwicky de transitorios (ZTF, por sus siglas en inglés) y el censo automatizado de todo el cielo para supernovas (ASAS-SN, por sus siglas en inglés). Estas dos clases de TDEs tienen grandes diferencias en las propiedades de su emisión observada, lo que ha abierto una multitud de preguntas en torno a la naturaleza de los TDEs. En particular, el artículo de hoy se enfoca en responder una pregunta clave: ¿Son estas dos clases de TDEs realmente distintas, o pueden ser explicadas por un único fenómeno físico con propiedades diferentes?
Aprendiendo del pasado: relacionando los TDEs y los AGN
Figura 1: Modelo unificado de los TDEs. Los TDEs ópticos se encuentran principalmente en sistemas vistos de canto, donde la mayor parte de la emisión de rayos X puede ser reprocesada por el disco externo o por vientos (outflows). Los TDEs de rayos X se encuentran mayormente en sistemas vistos de frente, donde estamos viendo directamente a través de un embudo creado por los vientos (outflows). Crédito: Figura 1 deDai et al. (2018).
La existencia de dos tipos aparentes de TDEs podría ser un efecto visual, similar a lo que vemos en núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés), que son las regiones centrales de galaxias cuyos agujeros negros supermasivos están pasando por una fase larga de acreción. Hoy los AGN están divididos en dos clases principales dependiendo de si sus espectros ópticos muestran o no líneas de emisión anchas (ver espectros de ejemplo y esta guía de astrobites en inglés para más detalles en la clasificación de AGN). En una fecha tan temprana como 1985, se sabía que estas diferencias se debían a la diferencia en el ángulo de visión al núcleo, en lugar de ser una diferencia intrínseca entre los dos tipos de AGN. En AGN de tipo 2, las líneas anchas son bloqueadas por una vista de canto a través del toro denso de gas y polvo, mientras que en AGN de tipo 1 el ángulo de visión frontal implica que las líneas anchas son claramente visibles, con una línea de visión que no pasa a través del toro de polvo. En 2018, Dai et al. propusieron una idea similar para los TDEs: un modelo unificado para la emisión observada en TDEs basado en el ángulo de visión (ver figura 1). En su modelo, los TDEs ópticos surgen de sistemas que se ven relativamente de canto, donde el disco externo reprocesa la emisión de rayos X del disco interior absorbiendo y dispersando fotones de rayos X hacia longitudes de onda ópticas. Esto significa que los TDEs ópticos aún emiten rayos X, pero no podemos verlos dada nuestra orientación relativa al evento. Por otro lado, se espera que los TDEs de rayos X provengan de sistemas vistos de frente, donde tenemos una línea de visión directa del disco interno (donde la mayor parte de la emisión de rayos X es producida).
Una nueva versión de la unificación: combinando el ángulo de visión y la tasa de acreción
El artículo de hoy lleva este nuevo modelo unificado de TDEs un paso más allá, encontrando que el ángulo de visión no es el único efecto que determina las propiedades de los TDEs. El equipo de investigación encuentra que la tasa de acreción (qué tan rápido el agujero negro está engullendo su merienda) también juega un papel importante en las propiedades observadas de los TDEs. La tasa de acreción sirve como una estimación del tiempo que ha pasado desde el comienzo del TDE, ya que se espera que disminuya conforme el tiempo pasa. Por tanto, medir el efecto de la tasa de acreción también nos permite aprender sobre cómo las propiedades de la emisión de los TDEs evolucionan con el tiempo. Para investigar estos efectos, corrieron simulaciones de magneohidrodinámica con relatividad general (GRMHD, por sus siglas en inglés) en 3D de última generación de flujos de acreción en TDEs, que incluyen tanto la teoría de Einstein de la relatividad general como los efectos de los campos magnéticos.
En el extremo de los ángulos de visión, estas simulaciones se alinean perfectamente con lo que Dai et al. (2018) encontraron: el ángulo de visión por sí mismo puede explicar la dicotomía óptica/rayos X en TDEs. Con ángulos de visión frontales, la emisión observada está dominada por los rayos X siempre, mientras que a ángulos de visión de canto, la emisión está siempre dominada por el óptico (ver las partes izquierda e inferior de la figura 2, respectivamente). Sin embargo, hay una fuerte dependencia de la tasa de acreción en ángulos de visión intermedios. En sistemas con ángulos de visión entre 30º – 50º, la cantidad de emisión de rayos X se incrementa con el tiempo y con la tasa de acreción decreciente, debido a la cantidad decreciente de material en el disco externo que puede reprocesar los rayos X. Por tanto, el equipo de investigación plantea que los TDEs que muestran tanto rayos X como emisión óptica (en particular TDEs ópticos con emisión retardada en rayos X, pueden darse en ángulos de visión intermedios. Esta simple combinación de cambios de la tasa de acreción y del ángulo de visión puede explicar las amplias diferencias en las propiedades observadas de los TDEs, unificándolas en un único fenómeno: exactamente igual que los AGN.
Figura 2: Evolución de la emisión de un TDE como función de la tasa de acreción. Cada panel muestra el resultado de tres simulaciones, cada una con una tasa de acreción diferente, pero con un ángulo de la línea de visión fijo. Las franjas púrpura y naranja muestran la localización de las bandas de ratos X y UV/óptica, respectivamente. En un TDE la tasa de acreción debería empezar siendo alta y disminuir conforme el tiempo transcurre (es decir, evolucionar desde la línea a trazos hacia la línea de puntos con el tiempo). En el ángulo de visión más pequeño (i = 10°, de frente, superior izquierda), el TDE está siempre dominado por rayos X, mientras que en el mayor ángulo de visión (i = 70°, visto de canto, abajo a la derecha), el TDE es está siempre dominado por la radiación óptica. En ambos ángulos de visión intermedios (i = 30°/50°, arriba a la derecha/abajo a la izquierda, respectivamente), el TDE evoluciona de estar dominado por el óptico a estarlo por rayos X conforme el timepo transcurre (y disminuye). Crédito: mitad inferior de la figura 2 del artículo de hoy.
Adicionalmente, tras explorar la dicotomía rayos X/óptica, el equipo compara los resultados de sus simulaciones con las propiedades observadas de TDEs. Las simulaciones pueden explicar la luminosidad, temperatura, y evolución en tamaño de la emisión óptica en TDEs. Del mismo modo, muestran que la luminosidad total de los TDEs ópticos es subestimada cuando no tienen en cuenta la emisión en el ultravioleta lejano (que ningún telescopio actual puede observar). Esto puede explicar por qué algunos TDEs ópticos parecen tener menor luminosidad de lo esperado, lo que también ha sido estudiado en el paper descrito en este astrobite (en inglés).
Viendo hacia el futuro: ¿Qué sigue para las simulaciones de TDEs?
Este trabajo puede explicar las propiedades de la emisión de los TDEs en longitudes de onda del óptico y de los rayos X, así que podrías preguntar: ¿Qué más falta por hacer? El equipo dedica unas líneas al trabajo que planean hacer en el futuro: (1) abordar las propiedades de las líneas de emisión de TDEs con mejor resolución de la radiación en sus simulaciones, (2) estudiar la formación y propiedades de un chorro relativista del TDE con diferentes configuraciones de las simulaciones, y (3) estudiar los efectos de la variación de masa del agujero negro y su spin (giro). En general, este artículo representa un paso adelante en nuestro entendimiento de las propiedades observadas de los TDEs.
Comentarios
Aún no hay comentarios.