El telescopio espacial Nancy Grace Roman, cuyo lanzamiento está previsto para el 30 de agosto de 2026, detectará agujeros negros supermasivos que existieron hasta hace 11 mil millones de años al captar los destellos producidos cuando los agujeros negros desgarran estrellas enteras.
Una nueva investigación publicada el 14 de julio en The Astrophysical Journal predice que el estudio de alta latitud y dominio temporal de Roman detectará aproximadamente 100 eventos de disrupción de marea (TDE) por año a distancias mucho mayores que cualquier observatorio anterior. Esta capacidad permitirá a los astrónomos explorar la población de agujeros negros supermasivos del universo temprano y probar teorías contrapuestas sobre cómo se formaron estos gigantes cósmicos.
«Gracias a la alta sensibilidad de Roman, podemos encontrar múltiples eventos de disrupción de marea a distancias mayores y épocas cósmicas más tempranas que nunca», dijo el autor principal Mitchell Karmen, estudiante de posgrado en la Universidad Johns Hopkins y becario de investigación de posgrado de la NSF.
Cómo funcionan los eventos de disrupción de marea
Los eventos de disrupción de marea ocurren cuando una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo. En lugar de ser tragada entera, la estrella es desgarrada por las inmensas fuerzas gravitacionales de marea del agujero negro, creando un destello brillante de luz que puede eclipsar a toda la galaxia anfitriona de la estrella.
Este fenómeno es exclusivo de los agujeros negros supermasivos más ligeros, aquellos en el rango de 100.000 a 100 millones de masas solares. Los agujeros negros más pesados que superan los 1.000 millones de masas solares simplemente tragan estrellas enteras, sin producir tal señal. El material desgarrado forma un disco de acreción brillante y caliente que alcanza su punto máximo en unas pocas semanas y luego se desvanece gradualmente, brindando a los astrónomos una ventana a poblaciones de agujeros negros que de otro modo serían invisibles.
La ventaja infrarroja de Roman
La capacidad de observación en el infrarrojo cercano de Roman es ideal para detectar TDE del universo temprano. A medida que el universo se expande, la luz de objetos distantes se estira hacia longitudes de onda más largas, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo cosmológico. La luz que viaja de 8 a 11 mil millones de años para alcanzarnos llega en la banda del infrarrojo cercano donde los instrumentos de Roman están optimizados.
El estudio de alta latitud y dominio temporal del telescopio cubrirá aproximadamente 18 grados cuadrados del cielo, un área equivalente a unas 90 lunas llenas, revisitando las mismas regiones con una cadencia regular para capturar eventos transitorios a medida que ocurren.
El papel de Roman complementa al Observatorio Vera C. Rubin, que detectará miles a decenas de miles de TDE por año, pero principalmente a distancias más cercanas en luz visible. Juntos, los dos observatorios proporcionarán una imagen completa desde las proximidades hasta los confines más lejanos del cosmos.
«Así como Webb ha transformado nuestra comprensión de las galaxias distantes de alto corrimiento al rojo, Roman está preparado para transformar nuestra comprensión de los transitorios de alto corrimiento al rojo», dijo la coautora Suvi Gezari de la Universidad de Maryland.
Explorando los orígenes de los agujeros negros
Karmen y sus colegas modelaron cómo la tasa de TDE cambia a través del tiempo cósmico, teniendo en cuenta factores evolutivos como las tasas de fusión de galaxias, la densidad estelar en los núcleos galácticos y las masas de los agujeros negros.
El equipo pronostica que la tasa de TDE aumentará con la distancia hasta alcanzar el «mediodía cósmico», hace aproximadamente 11 a 12 mil millones de años, cuando la formación estelar en todo el universo alcanzó su punto máximo, y luego disminuirá a distancias aún mayores.
El conteo de TDE en diferentes corrimientos al rojo permitirá a los astrónomos distinguir entre dos teorías principales sobre el origen de los agujeros negros supermasivos:
Teoría de la semilla ligera sostiene que los agujeros negros comenzaron como remanentes de masa estelar de la muerte de estrellas masivas (hasta unos cientos de masas solares) y crecieron mediante fusiones y consumo rápido de gas. Este modelo predice que casi todas las galaxias jóvenes albergan un agujero negro central.
Teoría de la semilla pesada propone que algunos agujeros negros nacieron grandes, hasta un millón de masas solares, mediante el colapso directo de nubes de gas. Este escenario predice que los agujeros negros supermasivos serían más raros en las galaxias tempranas.
«Los eventos de disrupción de marea nos ayudan a explorar la población de agujeros negros supermasivos ligeros, lo que puede ayudarnos a discriminar entre estos modelos», dijo Karmen.
Una nueva frontera en la ciencia de los transitorios
El estudio de alta latitud y dominio temporal de Roman es uno de los tres estudios comunitarios fundamentales que definirán la misión principal del telescopio. Una vez que Roman y Rubin comiencen sus operaciones completas, los equipos comenzarán inmediatamente a comparar las predicciones con las detecciones reales, utilizando los datos combinados para mapear la distribución de los agujeros negros a través del tiempo cósmico.
«Con solo contar el número de TDE en función del corrimiento al rojo, se pueden imponer restricciones significativas a la población de agujeros negros de un millón de masas solares», dijo Gezari. «Roman será transformador en que puede explorar eventos de disrupción de marea a distancias mayores, por lo que se puede observar cómo evoluciona la tasa de TDE a lo largo del tiempo.»
El telescopio espacial Nancy Grace Roman es gestionado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, con contribuciones clave de JPL, Caltech/IPAC, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, BAE Systems, L3Harris y Teledyne.
Traducido por Alessandra