Las misiones de la NASA ayudan a investigar una galaxia activa “Old Faithful”.

Durante un año típico, más de un millón de personas visitan el Parque Nacional de Yellowstone, donde el géiser Old Faithful lanza regularmente un chorro de agua hirviendo al aire. Ahora, un equipo internacional de astrónomos ha descubierto un equivalente cósmico, una galaxia distante que entra en erupción aproximadamente cada 114 días.

Utilizando datos de instalaciones que incluyen el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA y el Satélite de reconocimiento de exoplanetas en tránsito (TESS), los científicos han estudiado 20 estallidos repetidos de un evento llamado ASASSN-14ko. Estos diversos telescopios e instrumentos son sensibles a diferentes longitudes de onda de luz. Al usarlos en colaboración, los científicos obtuvieron imágenes más detalladas de los estallidos.

“Estas son las llamaradas de múltiples longitudes de onda recurrentes más predecibles y frecuentes que hemos visto desde el núcleo de una galaxia, y nos brindan una oportunidad única de estudiar este Old Faithful extragaláctico en detalle”, dijo Anna Payne, becaria graduada de la NASA en la Universidad de Hawai en Mānoa. “Creemos que un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia crea las explosiones, ya que consume parcialmente una estrella gigante en órbita”.

Payne presentó los hallazgos el martes 12 de enero en la 237ª reunión virtual de la Sociedad Astronómica Estadounidense. Un artículo sobre la fuente y estas observaciones, dirigido por Payne, está siendo sometido a revisión científica.

Un agujero negro monstruoso consume parcialmente una estrella gigante en órbita. En esta ilustración, el gas extraído de la estrella choca con el disco de escombros del agujero negro y provoca una llamarada. Los astrónomos han llamado a este evento repetitivo ASASSN-14ko. Las llamaradas son las más predecibles y frecuentes vistas hasta ahora en una galaxia activa.
Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.

Los astrónomos clasifican las galaxias con centros inusualmente brillantes y variables como galaxias activas. Estos objetos pueden producir mucha más energía que la contribución combinada de todas sus estrellas, incluidos niveles de luz visible, ultravioleta y de rayos X más altos de lo esperado. Los astrofísicos creen que la emisión adicional proviene de cerca del agujero negro supermasivo central de la galaxia, donde un disco giratorio de gas y polvo se acumula y se calienta debido a las fuerzas gravitacionales y de fricción. El agujero negro consume lentamente el material, lo que crea fluctuaciones aleatorias en la luz emitida por el disco.

Pero los astrónomos están interesados ​​en encontrar galaxias activas con destellos que ocurren a intervalos regulares, lo que podría ayudarlos a identificar y estudiar nuevos fenómenos y eventos.

“ASASSN-14ko es actualmente nuestro mejor ejemplo de variabilidad periódica en una galaxia activa, a pesar de décadas de otras afirmaciones, porque el momento de sus llamaradas es muy consistente durante los seis años de datos que Anna y su equipo analizaron”, dijo Jeremy Schnittman, un astrofísico del Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, que estudia los agujeros negros pero no participó en la investigación. “Este resultado es un verdadero tour de force de la astronomía observacional de múltiples longitudes de onda”.

ASASSN-14ko fue detectado por primera vez el 14 de noviembre de 2014 por All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN), una red global de 20 telescopios robóticos con sede en la Universidad Estatal de Ohio (OSU) en Columbus. Ocurrió en ESO 253-3, una galaxia activa a más de 570 millones de años luz de distancia en la constelación austral de Pictor. En ese momento, los astrónomos pensaron que el estallido probablemente fue una supernova, un evento único que destruye una estrella.

Esta imagen de la galaxia activa ESO 253-3 fue capturada por el Explorador espectroscópico de unidades múltiples del Observatorio Espacial Europeo como parte del estudio All-weather MUse Supernova Integral-field of Near Galaxies (AMUSING). ESO 253-3 muestra las erupciones más predecibles y frecuentes que los científicos han identificado hasta ahora en una galaxia activa.
Créditos: Michael Tucker (Universidad de Hawai’i) y la encuesta AMUSING.

Seis años más tarde, Payne estaba examinando datos ASAS-SN sobre galaxias activas conocidas como parte de su trabajo de tesis. Al observar la curva de luz ESO 253-3, o el gráfico de su brillo a lo largo del tiempo, notó de inmediato una serie de destellos espaciados uniformemente: un total de 17, todos separados por unos 114 días. Cada destello alcanza su brillo máximo en aproximadamente cinco días, luego se atenúa paulatinamente.

Payne y sus colegas predijeron que la galaxia volvería a estallar el 17 de mayo de 2020, por lo que coordinaron observaciones conjuntas con instalaciones terrestres y espaciales, incluidas mediciones de longitudes de onda múltiples con Swift. ASASSN-14ko entró en erupción justo a tiempo. Desde entonces, el equipo ha predicho y observado brotes posteriores el 7 de septiembre y el 20 de diciembre.

Los investigadores también utilizaron los datos de TESS para una visión detallada de un brote anterior. TESS observa franjas del cielo llamadas sectores, durante aproximadamente un mes. Durante los dos primeros años de la misión, las cámaras recopilaron una imagen de sector completo cada 30 minutos. Estas instantáneas permitieron al equipo crear una línea de tiempo precisa de un destello rastreando su aparición, comenzó el 7 de noviembre de 2018.

“TESS proporcionó una imagen muy completa de ese destello en particular, pero debido a la forma en que la misión toma imágenes del cielo, no puede observarlos a todos”, dijo el coautor Patrick Vallely, miembro del equipo ASAS-SN y National Science Foundation, becario de investigación de posgrado en OSU. “ASAS-SN recopila menos detalles sobre arrebatos individuales, pero proporciona una línea de base más larga, que fue crucial en este caso. Los dos estudios se complementan “.

Utilizando mediciones de ASAS-SN, TESS, Swift y otros observatorios, incluidos NuSTAR de la NASA y XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, Payne y su equipo propusieron tres posibles explicaciones para las llamaradas repetidas.

Un escenario involucró interacciones entre los discos de dos agujeros negros supermasivos en órbita en el centro de la galaxia. Mediciones recientes, también bajo revisión científica, sugieren que la galaxia sí alberga dos de esos objetos, pero no orbitan lo suficientemente cerca para explicar la frecuencia de las erupciones.

El segundo escenario que consideró el equipo fue una estrella que pasaba en una órbita inclinada a través del disco de un agujero negro. En ese caso, los científicos esperarían ver llamaradas de forma asimétrica causadas cuando la estrella perturba el disco dos veces, una a cada lado del agujero negro. Pero todas las llamaradas de esta galaxia tienen la misma forma.

El tercer escenario, y el que el equipo cree que es más probable, es un evento de interrupción parcial de las mareas.

Un evento de interrupción de las mareas ocurre cuando una estrella desafortunada se acerca demasiado a un agujero negro. Las fuerzas gravitacionales crean intensas mareas que rompen la estrella en una corriente de gas. La parte final de la corriente se escapa del sistema, mientras que la parte principal gira hacia atrás alrededor del agujero negro. Los astrónomos ven llamaradas brillantes de estos eventos cuando el gas derramado golpea el disco de acreción del agujero negro.

En este caso, los astrónomos sugieren que uno de los agujeros negros supermasivos de la galaxia, uno con aproximadamente 78 millones de veces la masa del Sol, interrumpe parcialmente una estrella gigante en órbita. La órbita de la estrella no es circular, y cada vez que pasa lo más cerca posible del agujero negro, sobresale hacia afuera, desprendiendo masa, pero sin romperse por completo. Cada encuentro elimina una cantidad de gas equivalente a aproximadamente tres veces la masa de Júpiter.

Los astrónomos no saben cuánto tiempo persistirán las erupciones. La estrella no puede perder masa para siempre, y aunque los científicos pueden estimar la cantidad de masa que pierde durante cada órbita, no saben cuánta tenía antes de que comenzaran las interrupciones.

Payne y su equipo planean seguir observando los estallidos previstos del evento, incluidas las próximas fechas en abril y agosto de 2021. También podrán examinar otra medición de TESS, que capturó el destello del 20 de diciembre con su frecuencia de instantánea actualizada de 10 minutos.

“TESS fue diseñado principalmente para encontrar mundos más allá de nuestro sistema solar”, dijo Padi Boyd, científico del proyecto TESS en Goddard. “Pero la misión también nos está enseñando más sobre las estrellas de nuestra propia galaxia, incluida la forma en que pulsan y se eclipsan entre sí. En galaxias distantes, hemos visto estrellas acabar con sus vidas en explosiones de supernovas. TESS incluso ha observado previamente un evento completo de interrupción de las mareas. Siempre estamos esperando los próximos descubrimientos emocionantes y sorprendentes que hará la misión “.

TESS es una misión del Explorador de Astrofísica de la NASA dirigida y operada por el MIT en Cambridge, Massachusetts, y administrada por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. Los socios adicionales incluyen Northrop Grumman, con sede en Falls Church, Virginia; El Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley de California; el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts; El Laboratorio Lincoln del MIT; y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore. Más de una docena de universidades, institutos de investigación y observatorios de todo el mundo participan en la misión.

Goddard gestiona la misión Swift en colaboración con Penn State en University Park, el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México y Northrop Grumman Innovation Systems en Dulles, Virginia. Otros socios incluyen la Universidad de Leicester y el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard en el Reino Unido, el Observatorio Brera y la Agencia Espacial Italiana en Italia.

ASAS-SN es operado por el Observatorio Las Cumbres y financiado en parte por la Fundación Gordon y Betty Moore.