El telescopio Roman de la NASA detectará agujeros negros supermasivos y distantes que devoran estrellas de forma voraz
Los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias pueden ser devoradores voraces. A veces, cuando una estrella errante se acerca demasiado, es destrozada antes de ser consumida. Los datos del telescopio espacial Roman tendrán mucho que decir.
En ese proceso de devorar una estrella, la región alrededor del agujero negro se ilumina y puede llegar a brillar más que toda su galaxia. De esta forma, los agujeros negros que de otro modo permanecerían ocultos se vuelven detectables.
Una vez que se lance, previsiblemente el 30 de agosto de 2026, el telescopio espacial Nancy Grace Roman observará hasta 100 de estos eventos de fragmentación estelar cada año. Estos datos permitirán comprender mejor cómo se formaron los agujeros negros supermasivos, así como su crecimiento y evolución.
¿Cómo se forman y crecen con el tiempo los agujeros negros en el centro de las galaxias?
Para responder a esta pregunta, los científicos necesitan detectar y estudiar agujeros negros supermasivos a grandes distancias, que existieron mucho antes en la historia del universo. Nuevas investigaciones sugieren que el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para el 30 de agosto de 2026, podrá detectar estos agujeros negros antiguos y distantes que existieron hace hasta 11 mil millones de años.
Los agujeros negros se estudian mejor buscando la luz que emite su disco de acreción: la materia que gira a su alrededor antes de ser consumida. Los agujeros negros supermasivos más ligeros son difíciles de observar porque tienden a ser menos luminosos debido a una menor acreción. Pero ocasionalmente, destrozan y consumen una estrella entera, aumentando su brillo hasta eclipsar a toda su galaxia anfitriona; este fenómeno se conoce como evento de disrupción de marea (EDM o TDE por sus siglas en inglés). Al caracterizar esta población de agujeros negros supermasivos primigenios y cómo evolucionan y crecen durante miles de millones de años, Roman proporcionará pistas sobre el origen último de estos gigantes.
«El telescopio espacial Roman va a ser revolucionario para la ciencia de los fenómenos transitorios», afirmó el autor principal, Mitchell Karmen, estudiante de posgrado de la Universidad Johns Hopkins y becario de investigación de la Fundación Nacional de Ciencias. «Gracias a la alta sensibilidad de Roman, podemos detectar múltiples eventos de disrupción de marea a mayores distancias y en épocas cósmicas más antiguas que nunca».
Se ha publicado un artículo sobre esta investigación en The Astrophysical Journal.
Estrellas destrozadas por agujeros negros supermasivos
El Sondeo de Dominios de Tiempo de Alta Latitud de Roman, uno de los tres sondeadores comunitarios principales, es especialmente adecuado para detectar y estudiar los eventos de marea de tempestad (TDE, por sus siglas en inglés) en el universo primitivo. Este sondeo abarcará aproximadamente 18 grados cuadrados del cielo, un área equivalente a 90 lunas llenas, con una periodicidad regular. Al revisitar las mismas regiones repetidamente, los astrónomos pueden encontrar un gran número de eventos transitorios como los TDE.
Los eventos de disrupción de marea son fenómenos exclusivos de los agujeros negros supermasivos menos masivos. Los agujeros negros más grandes, con masas superiores a mil millones de soles, engullen estrellas enteras. Pero los agujeros negros menos masivos, de entre 100.000 y 100 millones de soles, pueden destrozar una estrella antes de consumirla, creando un faro que brilla intensamente durante un par de semanas antes de desvanecerse gradualmente.
El equipo pronostica que los astrónomos verán aumentar la tasa de eventos de disrupción de marea a medida que Roman explore mayores distancias y épocas más tempranas hasta el " mediodía cósmico ", hace aproximadamente entre 11 y 12 mil millones de años, cuando la formación estelar alcanzó su punto máximo en todo el universo, antes de disminuir nuevamente.
Observatorios complementarios
Roman observará longitudes de onda de luz en el infrarrojo cercano. La luz de los eventos de disrupción de marea (TDE) distantes se estira hacia longitudes de onda más largas debido a la expansión del universo, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo cosmológico. Como resultado, Roman está optimizado para detectar TDE cuya luz viajó entre 8.000 y 11.000 millones de años para llegar hasta nosotros.
El Observatorio Rubin también escaneará grandes extensiones del cielo y detectará muchos nuevos eventos de disrupción de marea. Sin embargo, observará la luz visible, lo que limita su capacidad para detectar TDE más cercanos que los que detecta el Observatorio Roman.
La investigación del equipo de Karmen revela que Rubin detectará entre miles y decenas de miles de eventos de disrupción de marea al año. Si bien se espera que Roman encuentre hasta 100 TDE al año, esos agujeros negros estarán mucho más distantes, dentro del ámbito de la historia cósmica que es más importante para distinguir entre los diferentes escenarios de origen de los agujeros negros.
“Con tan solo contar el número de eventos de disrupción de marea en función del desplazamiento al rojo, se pueden establecer límites significativos a la población de agujeros negros de millones de masas solares”, afirmó la coautora Suvi Gezari, profesora asociada de astronomía en la Universidad de Maryland. “Roman será revolucionario, ya que puede estudiar los eventos de disrupción de marea a mayores distancias, lo que permitirá observar cómo evoluciona la tasa de TDE 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; tan pronto que las teorías tienen dificultades para explicar cómo pudieron alcanzar ese tamaño tan rápidamente. Deben haber comenzado siendo más pequeños y haber crecido con el tiempo, pero ¿cuánto más pequeños?
Una teoría, conocida como «semillas de luz», 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 la 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 daría como resultado que los agujeros negros supermasivos fueran mucho más raros en las galaxias primitivas.
“Los fenómenos de disrupción de marea nos ayudan a investigar la población de agujeros negros supermasivos ligeros, lo que puede ayudarnos a distinguir entre estos modelos”, dijo Karmen.
En definitiva, el recuento de eventos de disrupción de 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 regulares, el equipo espera comparar sus pronósticos con las detecciones reales que realicen esos observatorios.
“Así como James Webb ha transformado nuestra comprensión de las galaxias distantes con alto desplazamiento al rojo, Roman está a punto de transformar nuestra comprensión de los fenómenos transitorios con alto desplazamiento al rojo”, dijo Gezari.
Fuente: Space Telescope Science Institute
Referencia de la noticia
Mitchell Karmen, Suvi Gezari, Colin Norman, and Muryel Guolo. Tidal Disruption Event Rates across Cosmic Time: Forecasts for LSST, Roman, and JWST and Their Constraints on the Supermassive Black Hole Mass Function. The Astrophysical Journal.