Agujeros negros de masa intermedia.
Encontrando agujeros negros de masa intermedia.
"Estamos argumentando que solo la presencia de agujeros negros de masa intermedia en el rango de masa que detectamos sugiere que existen agujeros negros más pequeños con masas de alrededor de cien soles", dice el coautor de Chilingar, Ivan Yu. Katkov de la Universidad Estatal de Moscú en Rusia. "Estos agujeros negros más pequeños podrían ser las semillas para la formación de agujeros negros supermasivos".
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| Imágenes infrarrojas de Chandra y Spitzer de COSMOS-Legacy Survey. Esta imagen muestra datos de una campaña de observación masiva que incluye a Chandra y ha proporcionado pruebas contundentes de la existencia de agujeros negros de masa intermedia (IMBH). En combinación con un estudio separado que también utiliza datos de Chandra, estos resultados pueden permitir a los astrónomos comprender mejor cómo se formaron los agujeros negros más grandes en el Universo temprano. Los datos de la encuesta COSMOS-Legacy utilizada en uno de los estudios se muestran aquí. (Crédito: Rayos X: NASA / CXC / ICE / M. Mezcua y otros, Infrarrojo: NASA / JPL-Caltech). |
Los científicos han dado pasos importantes en su búsqueda para encontrar agujeros negros que no sean ni muy pequeños ni extremadamente grandes. Encontrar estos esquivos agujeros negros de masa intermedia podría ayudar a los astrónomos a comprender mejor qué eran las "semillas" de los agujeros negros más grandes en el Universo temprano.
La nueva investigación proviene de dos estudios separados, cada uno utilizando datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y otros telescopios.
Los agujeros negros que contienen entre aproximadamente cien y varios cientos de miles de veces la masa del Sol se llaman agujeros negros de "masa intermedia" o IMBH. Esto se debe a que su masa los ubica entre los agujeros negros "masa estelar" bien documentados y frecuentemente estudiados en un extremo de la escala de masas y los "agujeros negros supermasivos" que se encuentran en las regiones centrales de las galaxias masivas en el otro.
Aunque en los últimos años se han reportado varios tentadores IMBHs, los astrónomos todavía están tratando de determinar qué tan comunes son y qué propiedades nos enseñan sobre la formación de los primeros agujeros negros supermasivos.
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| Un agujero negro es un objeto denso y compacto cuya atracción gravitatoria es tan fuerte que, dentro de una cierta distancia de él, nada puede escapar, ni siquiera la luz. (Crédito: NASA / CXC / A.Hobart). |
Un equipo de investigadores utilizó una gran campaña llamada Chandra COSMOS-Legacy para estudiar galaxias enanas, que contienen menos del uno por ciento de la cantidad de masa en estrellas que nuestra Vía Láctea. (COSMOS es una abreviatura de Cosmic Evolution Survey). La caracterización de estas galaxias fue posible gracias al rico conjunto de datos disponible para el campo COSMOS en diferentes longitudes de onda, incluidos datos de los telescopios de la NASA y la ESA.
Los datos de Chandra fueron cruciales para esta búsqueda porque una fuente brillante de emisión de rayos X cerca del centro de una galaxia es un signo revelador de la presencia de un agujero negro. Los rayos X son producidos por gas calentado a millones de grados por las enormes fuerzas gravitacionales y magnéticas cerca del agujero negro.
"Es posible que hayamos encontrado que las galaxias enanas son un refugio para estos agujeros negros de peso medio ausentes", dijo Mar Mezcua, del Instituto de Ciencias Espaciales de España, quien dirigió uno de los estudios. "No solo encontramos un puñado de IMBHs, es posible que hayamos encontrado docenas".
Su equipo identificó cuarenta agujeros negros crecientes en galaxias enanas. Doce de ellos se encuentran a distancias de más de cinco mil millones de años luz de la Tierra y el más distante está a 10.900 millones de años luz de distancia, el agujero negro de crecimiento más distante en una galaxia enana jamás visto. Una de las galaxias enanas es la galaxia menos masiva que alberga un creciente agujero negro en su centro.
La mayoría de estas fuentes son probablemente IMBH con masas que son aproximadamente diez mil a cien mil veces mayores que las del Sol. Un resultado crucial de esta investigación es que la fracción de galaxias que contiene agujeros negros crecientes es más pequeña para las galaxias menos masivas que para sus contrapartes más masivas.
Un segundo equipo dirigido por Igor Chilingarian del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA) en Cambridge, Massachusetts, encontró una muestra separada e importante de posibles IMBH en galaxias que están más cerca de nosotros. En su muestra, el candidato más distante de IMBH está a unos 2.800 millones de años luz de la Tierra y aproximadamente el 90% de los candidatos de IMBH que descubrieron están a no más de 1.300 millones de años luz de distancia.
Con datos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS), Chilingarian y sus colegas encontraron galaxias con la firma de luz óptica de agujeros negros en crecimiento y luego calcularon su masa. Ellos seleccionaron 305 galaxias con propiedades que sugerían que un agujero negro con una masa inferior a 300.000 veces la del Sol acechaba en las regiones centrales de cada una de estas galaxias.
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| El XMM-Newton de la ESA. Crédito: ESA. |
Solo 18 miembros de esta lista contenían observaciones de rayos X de alta calidad que permitirían la confirmación de que las fuentes son agujeros negros. Las detecciones con Chandra y con XMM-Newton se obtuvieron para diez fuentes, lo que demuestra que aproximadamente la mitad de los 305 candidatos IMBH es probable que sean IMBH válidos. Las masas para las diez fuentes detectadas con observaciones de rayos X se determinaron entre 40.000 y 300.000 veces la masa del Sol.
"Esta es la muestra más grande de agujeros negros de masa intermedia que se haya encontrado", dijo Chilingarian. "Esta recompensa de agujero negro se puede utilizar para abordar uno de los mayores misterios en astrofísica".
Los IMBH pueden explicar cómo los agujeros negros más grandes, los supermasivos, pudieron formarse tan rápidamente después del Big Bang. Una explicación principal es que los agujeros negros supermasivos crecen con el tiempo a partir de "semillas" de agujeros negros más pequeños que contienen aproximadamente cien veces la masa del Sol. Algunas de estas semillas deberían fusionarse para formar IMBH. Otra explicación es que se forman muy rápidamente a partir del colapso de una nube gigante de gas con una masa igual a cientos de miles de veces la del Sol.
Mezcua y su equipo pueden estar viendo evidencia a favor de la idea del colapso directo, porque esta teoría predice que las galaxias menos masivas en su muestra deberían ser menos propensas a contener IMBH.
"Nuestra evidencia es solo circunstancial porque es posible que los IMBH sean tan comunes en las galaxias más pequeñas, pero no consumen suficiente materia para ser detectadas como fuentes de rayos X", dice la coautora de Mezcua, Francesca Civano, del CfA.
El equipo de Chilingar tiene una conclusión diferente.
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| Observatorio Chandra de rayos X de la NASA. |
Otra posibilidad es que ambos mecanismos realmente ocurran. Ambos equipos acuerdan que para llegar a conclusiones firmes, se necesitan muestras mucho mayores de agujeros negros utilizando datos de futuros satélites. El documento de Mar Mezcua y sus colegas se publicó en la edición de agosto de los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society y está disponible en línea. El artículo de Igor Chilingarian fue recientemente aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal y está disponible en línea.
El Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico Smithsonian de Cambridge, Massachusetts, controla la ciencia y las operaciones de vuelo de Chandra.
Otros materiales sobre los hallazgos están disponibles en:
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Contactos de medios:
Megan Watzke
Centro de rayos X Chandra, Cambridge, Massachusetts.
617-496-7998
Para publicación: 9 de agosto de 2018, comunicado de prensa.
