Dos investigadors de la UV participen en l'observació de l'erupció produïda per un forat negre en esgarrar una estrella

Al gener de 2005 es va detectar en el nucli de la galàxia en procés de fusió Arp 299-B (que es troba a una distància de quasi 150 milions d'anys llum de la Terra) un brillant centelleig que es va considerar una explosió supernova. No obstant això, 10 anys d'observacions en diferents longituds d'ona han permès presenciar com la regió lluminosa s'allargava i s'expandia, i concloure que es tracta d'un doll de material expulsat pel forat negre supermassiu central de la galàxia després esgarrar una estrella. Els resultats de l'estudi, que està liderat pels investigadors Seppo Mattila, de la Universitat de Turku (Finlàndia) i Miguel Pérez Torres, de l'Institut d'Astrofísica d'Andalusia del Consell Superior d'Investigacions Científiques (IAA-CSIC), i on també participen Petar Mimica i Miguel Ángel Aloy, investigadors del Departament d'Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València, es publiquen a la revista 'Science'.

Segons els models teòrics, en els esdeveniments de disrupció per forces de marea, en els quals un forat negre esquinça una estrella, la meitat de la massa estel·lar és expulsada a l'espai, mentre que l'altra meitat és absorbida pel forat negre supermassiu. La sobtada injecció de material produeix un brillant centelleig (visible en raigs gamma, raigs X i òptic), seguit d'emissions transitòries en ràdio i de la formació d'un doll de material que es mou inicialment a velocitats molt properes a la de la llum.

"Mai abans s'havia pogut observar directament la formació i evolució d'un doll com a conseqüència d'aquest fenomen", apunta Miguel Pérez-Torres, investigador del CSIC a l'Institut d'Astrofísica d'Andalusia, i que es va doctorar al departament d'Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València.

"Amb el pas del temps, el nou objecte es va mantenir brillant en les longituds d'ona infraroja i de ràdio, però no en les longituds d'ona visibles i de raigs X. Això es deu, probablement, a la presència de pols dens (a més de gas fred) present en el centre de la galàxia, el qual va absorbir els raigs X i la llum visible, els reprocessà i, a continuació, els va irradiar novament, però a la banda infraroja", assenyala el científic Seppo Mattila, de la Universitat de Turku.

Els investigadors van utilitzar el Telescopi Òptic Nòrdic a les Illes Canàries i el telescopi espacial Spitzer de la NASA per a seguir la font de radiació emissió infraroja. Afortunadament, les ones de ràdio no són absorbides per la pols que envolta el centre galàctic, sinó que s'obrin pas a través d'elles i eventualment arriben a la Terra. Només la presència de gas prou fred i dens pot absorbir totalment o parcialment l'emissió de ràdio de baixa freqüència de les proximitats del centre galàctic d'Arp 299-B. Aprofitant aquest fet, ha estat possible realitzar observacions contínues amb una xarxa internacional de radiotelescopis, incloent la Xarxa Europea de radiointerferometria (EVN, per les sigles en anglès). "Acumular dades pacientment durant quasi una dècada ens va portar un gran premi", va declarar Miguel Pérez Torres, responsable de les observacions radiointerferomètriques que van revelar que la font d'emissió de ràdio s'està expandint en una direcció, tal com s'esperava per a un doll. Aquestes observacions van permetre determinar que el material en el doll es movia a una mitjana de 75.000 quilòmetres per segon (un quart de la velocitat de la llum), així com que "el doll s'estava desaccelerant", va dir Petar Mimica, de la Universitat de València, que va afegir que les simulacions numèriques realitzades al Departament d'Astronomia i Astrofísica "van ser crucials per a determinar l'energia total del doll i la densitat del gas en el medi circumdant".

La combinació d'observacions a diferents longituds d'ona durant tot aquest temps va permetre a l'equip d'investigadors descartar escenaris com una explosió de supernova o una explosió de raigs gamma, determinant que l'explicació més probable era que el forat negre supermassiu d'Arp 299-B, amb uns 20 milions de masses solars, haguera esquinçat una estrella amb una massa entre dos i sis vegades la del nostre Sol. No obstant això, optar per aquesta explicació en lloc d'una altra més convencional en què el doll estigués produït per un nucli galàctic actiu (AGN, per les sigles en anglès) no va ser un procés senzill.

"Vam haver de recórrer a un modelatge numèric d'avantguarda, que realitzem en els superordinadors de la Universitat de València", ha apuntat Mimica. "Calgué confeccionar centenars de models numèrics diferents per calcular un escenari coherent que poguera explicar com un doll pot produir l'emissió de ràdio observada", digué Mimica. La dificultat rau en el fet que el que observem no és el doll, sinó la seva empremta radiativa. "En realitat, podem pensar en el doll com un riu i la matèria que emet en ones de ràdio com una taca d'oli cremant sobre la seua superfície. De nit no veurem l'aigua que flueix al llit del riu, sinó la flama brillant produïda per la combustió de l'oli" va explicar Aloy. "Comprendre si hi ha un riu i fins i tot anar més enllà i connectar el moviment del riu amb el del punt de combustió només es pot fer utilitzant una simulació numèrica extremadament precisa", va declarar Aloy.

El millor model que es pot construir requereix de dos elements bàsics. En primer lloc, el doll havia d'estar extremadament desalineat respecte a l'eix de rotació de la galàxia, el que és difícilment compatible amb un doll produït en un AGN. En segon lloc, el raig necessitava travessar el núvol de pols i gas que envolta el forat negre supermassiu central. "Reunint tots dos elements arribàvem a una explicació tan convincent com sorprenent, ja que el mateix núvol que enfosquia el doll a la banda de raigs X i en el rang visible era la clau per entendre la velocitat relativament baixa del doll, la seua desacceleració i l'absorció parcial (però incompleta) de les ones de ràdio en les primeres èpoques observades", puntualitzà Aloy.

 

Els forats negres adormits

La majoria de les galàxies alberguen en les seues regions centrals forats negres supermassius, que contenen fins a milers de milions de vegades la massa del Sol. Es tracta d'objectes amb un camp gravitatori tan intens que ni la llum pot escapar, i mostren una estructura típica composta per un disc de gas i pols (el disc d'acreixement), que absorbeix el material del seu entorn i, en els casos en què el forat negre es troba actiu, un parell de dolls de partícules a velocitats relativistes que emergeixen dels pols. Aquest fenomen d'ejecció de dolls és molt comú en ràdio-galàxies, quàsars i genèricament a AGNs.

"No obstant això, els forats negres supermassius passen una gran quantitat de temps sense devorar res, pel que no estan particularment actius. Els esdeveniments de disrupció per marees, com l'ocorregut en Arp299-B, ens ofereixen una oportunitat única per estudiar el veïnatge d'aquests poderosos objectes", explica el científic del CSIC. I afegeix Mattila que pel fet que les regions centrals de les galàxies contenen molta pols, que absorbeix la llum en raigs X i òptic, "és possible que aquests successos siguen molt més habituals però han passat desapercebuts".

Es creu que aquests esdeveniments van ser més comuns en l'univers temprà, pel que el seu estudi contribueix a entendre l'entorn en què es van desenvolupar les galàxies fa milers de milions d'anys. En el treball han col·laborat investigadors de 26 institucions internacionals, entre elles la Universitat de València i el Centre d'Astrobiologia (centre mixt del CSIC i l'Institut Nacional de Tècnica Aeroespacial).