ALMA estudia el radio de influencia de agujero negro.

Agujero negro supermasivo en su galaxia anfitriona.

Ilustración de una onda de choque ("burbuja" brillante en el chorro superior) siguiendo una trayectoria en espiral (en amarillo) a medida que se aleja del agujero negro BL Lacertae. La burbuja atraviesa una sección del chorro donde el campo magnético (líneas curvas de color azul claro) se enrolla en una bobina. Esto causó un brillo visto en la luz visible de rayos X y rayos gamma; más tarde, el choque atravesó la compresión estacionaria en forma de X en el chorro y se iluminó por segunda vez. Crédito: NRAO / AUI / NSF.

Lo que sucede dentro de un agujero negro se queda dentro de un agujero negro. Pero lo que ocurre dentro de su radio de influencia, la zona interna de una galaxia donde predomina la fuerza de gravedad del agujero negro, es de gran interés para los astrónomos. Su observación puede ayudar a calcular tanto la masa del agujero negro como su efecto en el entorno galáctico.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) obtuvo imágenes con un nivel de detalle sin precedentes de un disco de gas frío que gira alrededor de un agujero negro. Se trata de un disco que habita el centro de NGC 3258, una galaxia elíptica masiva situada a unos 100 millones de años luz de la Tierra. A partir de estas observaciones, un equipo de astrónomos de la Texas A&M International University (Laredo, EE. UU.) y de la Universidad de California (Irvine, EE. UU.) estimó la masa del agujero negro en 2.250 millones de masas solares. Es el agujero negro más masivo observado con ALMA hasta ahora.

Pese a que pueden tener masas de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, los agujeros negros supermasivos representan apenas una pequeña fracción de la masa total de las galaxias que habitan. Estudiar la gravedad de un agujero negro aislándola de los demás objetos presentes en el centro de la galaxia, como las estrellas, el gas interestelar y la materia oscura, es una tarea compleja que requiere observaciones muy sensibles a escalas diminutas.

“Observar la órbita de material tan cerca como sea posible de un agujero negro es clave para determinar su masa con precisión”, explica Benjamin Boizelle, investigador de posdoctorado de la Texas A&M University y autor principal de un estudio que se publicará en The Astrophysical Journal. “Estas nuevas observaciones de NGC 3258 demuestran la increíble capacidad de ALMA para mapear la rotación de discos de gas alrededor de agujeros negros supermasivos con un nivel de detalle impresionante”.

ALMA realizó la medición más precisa hasta ahora del gas frío rotando alrededor de un agujero negro supermasivo; el gigante cósmico al centro de la galaxia elíptica NGC 3258. La elipse multicolor muestra el movimiento del gas orbitando el agujero negro: en azul el gas se acerca a nosotros y en rojo el gas se aleja. El recuadro interno representa la forma en que la velocidad orbital varía en función de la distancia al agujero negro. Los científicos encontraron que giraba más rápido al acercarse al agujero negro, lo que les permitió determinar con precisión su masa: ¡2,25 mil millones de masas solares! Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Boizelle; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Hubble Space Telescope (NASA/ESA); Carnegie-Irvine Galaxy Survey.

Los astrónomos usan diferentes técnicas para medir las masas de los agujeros negros. En las galaxias elípticas gigantes, la mayoría de las mediciones se hace a partir del movimiento orbital de las estrellas alrededor del agujero negro con observaciones en luz visible o infrarroja. Existe otra técnica basada en máseres de agua (láseres de onda de radio) presentes dentro de nubes de gas que orbitan alrededor de agujeros negros. Sin embargo, aunque esta técnica ofrece un mayor grado de precisión, estos máseres son muy escasos y se dan casi exclusivamente en galaxias espirales que tienen agujeros negros más pequeños.

En los últimos años, ALMA permitió el uso de un nuevo método para estudiar los agujeros negros de las galaxias elípticas gigantes. Cerca del 10 % de las galaxias elípticas tiene un disco de gas frío y denso que gira en el centro. Estos discos contienen gas de monóxido de carbono (CO), que los astrónomos pueden observar con radiotelescopios de longitud de onda milimétrica.

Gracias al efecto Doppler de las emisiones de las moléculas de CO, los astrónomos pueden medir la velocidad a la que giran las nubes de gas. Además, ALMA permite resolver los centros mismos de las galaxias, donde se observan las máximas velocidades orbitales.

“Nuestro equipo lleva varios años estudiando galaxias elípticas cercanas con ALMA en busca de discos de gas molecular que giran alrededor de agujeros negros gigantes para poder analizarlos”, señala Aaron Barth, de la Universidad de California, quien es coautor del estudio. “NGC 3258 es el mejor objeto que hemos encontrado porque podemos analizar la rotación del disco más cerca del agujero negro que en cualquier otra galaxia”.

Así como la gravedad hace que la Tierra orbite alrededor del Sol más rápido que Plutón, la parte interna del disco de NGC 3258 gira más rápido que la parte externa debido a la gravedad del agujero negro. Los datos de ALMA muestran que la velocidad de rotación del disco sube de 1 millón de kilómetros por hora en la parte externa, a unos 500 años luz del agujero negro, a más de 3 millones de kilómetros por hora cerca del centro, a una distancia de apenas 65 años luz del agujero negro.

Los investigadores calcularon la masa del agujero negro mediante un modelo de la rotación del disco que toma en cuenta la masa adicional de las estrellas presentes en la zona céntrica de la galaxia y otros detalles como la forma levemente estirada del disco de gas. La clara detección de este movimiento giratorio más rápido permitió a los investigadores calcular la masa del agujero negro con un margen de error inferior al 1 %, aunque también estiman un margen adicional sistemático de 12 % debido a que no se conoce con demasiada precisión la distancia de NGC 3258. Sin embargo, aun tomando en consideración este margen adicional, esta es una de las mediciones de masa de agujero negro más precisas que se hayan realizado fuera de la Vía Láctea.

“El próximo desafío consistirá en encontrar más ejemplos de discos giratorios casi perfectos como este para que podamos aplicar este método de medición a una muestra más grande de galaxias”, concluye Boizelle. “Con más observaciones de ALMA con este nivel de precisión podremos entender mejor el crecimiento de las galaxias y los agujeros negros en distintas etapas de evolución del Universo”.

Tomada durante la Expedición de Ultra Alta Definición de ESO en el Observatorio ALMA, la matriz ALMA de 66 antenas se puede ver mirando hacia los cielos violetas llenos de estrellas. Crédito: ESO / B. Tafreshi (twanight.org).

Información adicional.

Reference: “A Precision Measurement of the Mass of the Black Hole in NGC 3258 from High-Resolution ALMA Observations of its Circumnuclear Disk,” B. Boizelle, et al., the Astrophysical Journal: apj.aas.org; Preprint: https://arxiv.org/abs/1906.06267

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

El Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO) es un establecimiento de la NSF operado por Associated Universities, Inc. en virtud de un acuerdo de cooperación.

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• Publicado en ALMA el 7 de agosto del 2.019, enlace publicación.