Un vigía para detectar estrellas siendo tragadas por agujeros negros

¿Cómo se forman los agujeros negros en el centro de las galaxias y crecen a través del tiempo? Para responder esta pregunta, se necesita detectar y estudiar agujeros negros supermasivos situados a grandes distancias, los cuales existieron muy temprano en la historia del universo. Un nuevo estudio sugiere que el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento al espacio está previsto para el 30 de agosto de 2026, podrá detectar estos agujeros negros tempranos y distantes que existieron hace hasta once mil millones de años. Y la forma de hacerlo pasaría por detectar estrellas siendo tragadas por agujeros negros.

Los agujeros negros se estudian mejor a través de la luz emitida por su disco de acreción: la materia que gira a su alrededor antes de ser consumida. Los agujeros negros supermasivos más ligeros son difíciles de detectar, ya que sus discos de acreción tienden a ser menos luminosos debido a sus menores tasas de acreción. Pero ocasionalmente, desmenuzan y consumen una estrella entera, aumentando su brillo hasta eclipsar a toda su galaxia anfitriona; este fenómeno se conoce como evento de disrupción por marea (TDE, por sus siglas en inglés). Al estudiar esta población de agujeros negros supermasivos tempranos y cómo evolucionan y crecen durante miles de millones de años, Roman proporcionará pistas sobre cómo surgieron en última instancia estos colosos.

«El telescopio espacial Roman será revolucionario para el estudio de los fenómenos transitorios», afirma Mitchell Karmen, autor principal del estudio y estudiante de posgrado en la Universidad Johns Hopkins y becario del programa Graduate Research Fellowship de la National Science Foundation (Fundación Nacional de Ciencia, NSF por sus siglas en inglés), en Estados Unidos. «Gracias a la alta sensibilidad de Roman, podremos descubrir múltiples eventos de disrupción por marea a distancias mayores y en épocas más tempranas de la historia del universo que nunca antes».

Esta ilustración representa una estrella similar al Sol siendo desgarrada por un agujero negro supermasivo, un fenómeno conocido como evento de disrupción por marea. Durante estos eventos, la región alrededor del agujero negro puede brillar intensamente y volverse visible a grandes distancias. El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA podrá detectar y estudiar eventos de disrupción por marea que ocurrieron en los inicios de la historia del universo. Al caracterizar una población temprana de agujeros negros supermasivos, los astrónomos pueden deducir los orígenes de tales agujeros. (Imagen: NASA / Ralf Crawford / STScI)

Destrozando estrellas

El Programa de Observación del Dominio Temporal de Altas Latitudes de Roman, uno de los tres programas de observación comunitarios principales, es particularmente apto para detectar y estudiar eventos de disrupción por marea en el universo primitivo. Este programa cubrirá aproximadamente 18 grados cuadrados del cielo, un área equivalente a 90 lunas llenas, con una cadencia regular. Al observar las mismas regiones repetidamente, los astrónomos pueden encontrar un gran número de fenómenos transitorios como los eventos de disrupción por marea.

Los eventos de disrupción por marea son fenómenos exclusivos de los agujeros negros supermasivos más ligeros. Los agujeros negros más masivos, con masas superiores a mil millones de soles, engullen estrellas enteras acercándose a ellos. Sin embargo, los agujeros negros más ligeros, con masas de entre 100,000 y 100 millones de soles, pueden destrozar una estrella antes de consumirla, creando un haz que brilla durante un par de semanas antes de desvanecerse gradualmente.

La frecuencia de los eventos de disrupción por marea fluctúa a lo largo del tiempo cósmico. Estudios anteriores predijeron que la frecuencia de los eventos de disrupción por marea disminuiría con la distancia, ya que la mayoría de los agujeros negros jóvenes serían demasiado ligeros para generar un evento de disrupción por marea. Sin embargo, esta nueva investigación toma en cuenta numerosos factores que evolucionan con el tiempo, como la frecuencia de fusiones de galaxias (y, por lo tanto, de agujeros negros), así como el número de estrellas en el núcleo de cada galaxia y su densidad.

Karmen y sus colegas modelaron estos y otros efectos para predecir cuántos eventos de disrupción por marea podría observar Roman, así como otros observatorios como el observatorio terrestre Vera C. Rubin de la Fundación Nacional estadounidense de Ciencia y el Departamento de Energía de Estados Unidos y el telescopio espacial James Webb de la NASA. El equipo pronostica que los astrónomos observarán un aumento en la tasa de eventos de disrupción por marea a medida que Roman explore mayores distancias y épocas más tempranas, hasta el «mediodía cósmico», cuando la formación estelar alcanzó su punto máximo en todo el universo antes de volver a disminuir, hace entre once mil millones de años y doce mil millones.

Observatorios complementarios

Roman observará longitudes de onda de luz de la banda infrarroja cercana. La luz de los eventos de disrupción por marea distantes es elongada hacia longitudes de onda más largas debido a la expansión del universo, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo cosmológico. Por lo tanto, Roman está intrínsecamente optimizado para detectar eventos de disrupción por marea cuya luz viajó entre 8000 y 11000 millones de años hasta llegar a nosotros.

El Observatorio Rubin también observará grandes extensiones del cielo y descubrirá muchos eventos de disrupción por marea nuevos. Sin embargo, observará luz visible, lo que le impedirá detectar eventos de disrupción por marea muy lejanos que en cambio sí podrá observar el Roman.

La investigación del equipo de Karmen revela que Rubin detectará entre miles y decenas de miles de eventos de disrupción por marea por año. Aunque se espera que Roman encuentre hasta 100 eventos por año, esos agujeros negros serán mucho más distantes, y pertenecerán a una etapa de la historia cósmica especialmente importante para distinguir entre los distintos escenarios sobre el origen de los agujeros negros supermasivos.

«Con tan solo contar el número de eventos de disrupción por marea en función del corrimiento al rojo, se pueden establecer límites significativos a la población de agujeros negros de millones de masas solares», afirma la coautora Suvi Gezari, profesora asociada de astronomía en la Universidad de Maryland, Estados Unidos. «Roman será revolucionario, ya que permitirá estudiar los eventos de disrupción por marea a mayores distancias, lo que posibilitará observar cómo evoluciona la tasa de eventos de disrupción por marea con el tiempo».

Orígenes de los agujeros negros supermasivos

Los astrónomos han observado agujeros negros verdaderamente gigantescos en las primeras etapas de la historia del universo; en épocas tan tempranas que la teoría tiene dificultades para explicar cómo pudieron alcanzar ese tamaño tan rápidamente. Debieron haber comenzado siendo más pequeños y haber crecido con el tiempo, pero ¿cuánto más pequeños?

Una teoría, conocida como de las «semillas ligeras», parte de la premisa de que los agujeros negros se forman a partir de la muerte de estrellas masivas. Estos agujeros negros podrían pesar hasta varios cientos de veces más que nuestro Sol. Con el tiempo, se fusionarían y consumirían el gas circundante a un ritmo asombroso. En este escenario, se esperaría que cada galaxia joven tuviera un agujero negro masivo en su centro.

Una segunda teoría, conocida como de las «semillas pesadas», sugiere que un agujero negro podría nacer con una masa mucho mayor, hasta un millón de veces superior a la de nuestro Sol, mediante un proceso como el colapso directo de una nube de gas. Sin embargo, este proceso debería ser menos común, lo que explicaría la rareza de los agujeros negros supermasivos en las galaxias primitivas.

«Los eventos de disrupción por marea nos ayudan a estudiar la población de agujeros negros supermasivos ligeros, lo que nos permite diferenciar entre estos modelos», afirmó Karmen.

En última instancia, el recuento de eventos de disrupción por marea realizado por Roman ayudará a los investigadores a rastrear los efectos globales que impactan la población de agujeros negros a lo largo del tiempo.

Una vez que Roman y Rubin comiencen sus operaciones científicas, el equipo espera comparar sus predicciones con las detecciones reales que realicen estos observatorios.

El telescopio espacial Nancy Grace Roman es gestionado por el Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el sur de California; Caltech/IPAC en Pasadena, California; el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore; y un equipo científico formado por especialistas de varias instituciones de investigación. Los principales socios industriales son BAE Systems, Inc. en Boulder, Colorado; L3Harris Technologies en Melbourne, Florida; y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California, en Estados Unidos estas tres empresas.

El estudio se titula “Tidal Disruption Event Rates across Cosmic Time: Forecasts for LSST, Roman, and JWST and Their Constraints on the Supermassive Black Hole Mass Function”. Y se ha publicado en la revista académica The Astrophysical Journal. (Fuente: Space Telescope Science Institute, Baltimore)