Semillas de agujero negro que faltan en el jardín cósmico.
Los agujeros negros de masa intermedia.
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| La concepción de este artista ilustra uno de los agujeros negros supermasivos más primitivos conocidos (punto negro central) en el núcleo de una joven galaxia rica en estrellas. Los astrónomos que utilizan el telescopio espacial Spitzer de la NASA han descubierto dos de estos primeros objetos, que datan de hace unos 13 mil millones de años. Los monstruosos agujeros negros se encuentran entre los más distantes conocidos, y parecen estar en las primeras etapas de formación, antes de lo observado hasta ahora. A diferencia de todos los otros agujeros negros supermasivos explorados hasta la fecha, este dúo primitivo, llamado J0005-0006 y J0303-0019, carece de polvo. Como muestra el dibujo, el gas gira alrededor de un agujero negro en lo que se llama un disco de acreción. Por lo general, el disco de acreción está rodeado por una estructura polvorienta oscura con forma de rosquilla llamada toro de polvo. Pero para los agujeros negros primitivos, faltan los toros de polvo y solo se observan discos de gas. Esto se debe a que el universo primitivo estaba limpio como un silbato. No había pasado suficiente tiempo para que las moléculas se agruparan en partículas de polvo. Algunos agujeros negros que se formaron en esta época comenzaron sin polvo. A medida que crecieron, engullendo más y más masa, se cree que acumularon anillos polvorientos. Esta ilustración también muestra cómo los agujeros negros supermasivos pueden distorsionar el espacio y la luz a su alrededor (ver estrellas deformadas detrás del agujero negro). Se pueden ver estrellas de la galaxia esparcidas por todas partes, y las fusiones distantes entre otras galaxias se ilustran en el fondo. Crédito de imagen: NASA / JPL-Caltech. |
En el vasto jardín del universo, los agujeros negros más pesados crecieron a partir de semillas alimentadas por el gas y el polvo que consumían, o al fusionarse con otros objetos densos, estas semillas crecieron en tamaño y peso para formar los centros de las galaxias, como nuestra propia Vía Láctea. Pero a diferencia del reino de las plantas, las semillas de los agujeros negros gigantes también deben haber sido agujeros negros. Y nadie ha encontrado estas semillas, todavía.
Una idea es que los agujeros negros supermasivos, el equivalente de cientos de miles a miles de millones de soles en masa, crecieron de una población de agujeros negros más pequeños que nunca se ha visto. Este grupo evasivo, los "agujeros negros de masa intermedia", pesaría entre 100 y 100.000 soles. Entre los cientos de agujeros negros encontrados hasta ahora, ha habido muchos relativamente pequeños, pero ninguno está seguro en el "desierto" de rango de masa intermedio.
Los científicos están trabajando con potentes telescopios espaciales de la NASA, así como con otros observatorios, para rastrear objetos lejanos que se ajustan a la descripción de estas entidades exóticas. Han encontrado docenas de posibles candidatos y están trabajando para confirmarlos como agujeros negros. Pero incluso si lo hacen, eso abre un misterio completamente nuevo: ¿Cómo se formaron los agujeros negros de masa intermedia?
"Lo que es fascinante, y por qué la gente ha pasado tanto tiempo tratando de encontrar estos agujeros negros de masa intermedia, es porque arroja luz sobre los procesos que ocurrieron en el universo primitivo: cuáles fueron las masas de agujeros negros de reliquias o los nuevos mecanismos de formación para los agujeros negros en los que aún no hemos pensado ", dijo Fiona Harrison, profesora de física en Caltech en Pasadena, California, e investigadora principal de la misión NuSTAR de la NASA, que es administrada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro.
Agujero negro 101.
Un agujero negro es un objeto extremadamente denso en el espacio del cual no puede escapar la luz. Cuando el material cae en un agujero negro, no tiene salida. Y cuanto más come un agujero negro, más crece tanto en masa como en tamaño.
Los agujeros negros más pequeños se llaman "masa estelar", con entre 1 y 100 veces la masa del Sol. Se forman cuando las estrellas explotan en procesos violentos llamados supernovas.
Los agujeros negros supermasivos, por otro lado, son los anclajes centrales de las galaxias grandes, por ejemplo, nuestro Sol y todas las otras estrellas en la Vía Láctea orbitan un agujero negro llamado Sagitario A * que pesa alrededor de 4,1 millones de masas solares. Un agujero negro aún más pesado, con una friolera de 6.500 millones de masas solares, sirve como la pieza central de la galaxia Messier 87 (M87). El agujero negro supermasivo de M87 aparece en la famosa imagen del Event Horizon Telescope, que muestra un agujero negro y su "sombra" por primera vez. Esta sombra es causada por el horizonte de sucesos, el punto sin retorno del agujero negro, doblando y capturando la luz con su fuerte gravedad.
Los agujeros negros supermasivos tienden a tener discos de material a su alrededor, llamados "discos de acreción", hechos de partículas extremadamente calientes y de alta energía que brillan a medida que se acercan al horizonte de eventos, la región del agujero negro sin retorno. Aquellos que hacen que sus discos brillen intensamente porque comen mucho se llaman "núcleos galácticos activos".
La densidad de la materia necesaria para crear un agujero negro es alucinante. Para hacer un agujero negro 50 veces la masa del Sol, tendrías que empacar el equivalente de 50 Soles en una bola de menos de 200 millas (300 kilómetros) de ancho. Pero en el caso de la pieza central de M87, es como si 6.500 millones de soles estuvieran comprimidos en una bola más ancha que la órbita de Plutón. En ambos casos, la densidad es tan alta que el material original debe colapsar en una singularidad: una rasgadura en la estructura del espacio-tiempo.
La clave del misterio de los orígenes de los agujeros negros es el límite físico de lo rápido que pueden crecer. Incluso los monstruos gigantes en los centros de las galaxias tienen limitaciones en sus frenesíes de alimentación, porque una cierta cantidad de material es empujada hacia atrás por la radiación de alta energía proveniente de partículas calientes aceleradas cerca del horizonte de eventos. Simplemente comiendo material circundante, un agujero negro de baja masa solo podría duplicar su masa en 30 millones de años, por ejemplo.
"Si comienzas desde una masa de 50 masas solares, simplemente no puedes aumentarla a mil millones de masas solares en mil millones de años", dijo Igor Chilingarian, astrofísico del Observatorio Astrofísico Smithsonian en Cambridge, Massachusetts y la Universidad Estatal de Moscú. Pero "como sabemos, hay agujeros negros supermasivos que existen menos de mil millones de años después de la formación del universo".
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| El Event Horizon Telescope (EHT), un conjunto a escala planetaria de ocho radiotelescopios terrestres forjados a través de la colaboración internacional, fue diseñado para capturar imágenes de un agujero negro. En conferencias de prensa coordinadas en todo el mundo, los investigadores de EHT revelaron que tuvieron éxito, revelando la primera evidencia visual directa del agujero negro supermasivo en el centro de Messier 87 y su sombra. La sombra de un agujero negro que se ve aquí es lo más cerca que podemos llegar a la imagen misma del agujero negro, un objeto completamente oscuro del cual la luz no puede escapar. El límite del agujero negro, el horizonte de eventos desde el cual el EHT toma su nombre, es aproximadamente 2,5 veces más pequeño que la sombra que proyecta y mide casi 40 mil millones de kilómetros de ancho. Si bien esto puede sonar grande, este anillo tiene solo unos 40 microarcsegundos, lo que equivale a medir la longitud de una tarjeta de crédito en la superficie de la Luna. Aunque los telescopios que forman el EHT no están conectados físicamente, son sincronizados con los datos que registran con relojes atómicos, los máser de hidrógeno, que sincronizan sus observaciones de forma precisa. Estas observaciones se recopilaron en longitudes de onda de 1,3 mm durante una campaña global de 2017. Cada telescopio del EHT produjo cantidades considerables de datos, aproximadamente 350 terabytes por día, enviando a supercomputadores altamente especializados, conocidos como correlacionadores, en el Instituto Max Planck de Radioastronomía y en el Observatorio Haystack MIT para su combinación. Luego se convirtió meticulosamente en una imagen utilizando innovadoras herramientas computacionales desarrolladas por la colaboración. Crédito: Colaboración EHT |
Cómo hacer un agujero negro que no puedes ver.
Al principio de la historia del universo, la semilla de un agujero negro de masa intermedia podría haberse formado por el colapso de una nube de gas grande y densa o por una explosión de supernova. Las primeras estrellas que explotaron en nuestro universo tenían hidrógeno puro y helio en sus capas externas, con elementos más pesados concentrados en el núcleo. Esta es una receta para un agujero negro mucho más masivo que la explosión de estrellas modernas, que están "contaminadas" con elementos pesados en sus capas externas y, por lo tanto, pierden más masa a través de sus vientos estelares.
"Si estamos formando agujeros negros con 100 masas solares al principio del universo, algunos de ellos deberían fusionarse, pero básicamente debería producir una gama completa de masas, y luego algunos de ellos deberían estar alrededor", dijo Tod Strohmayer. , astrofísico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Entonces, ¿dónde están si se formaron?"
Una pista de que los agujeros negros de masa intermedia aún podrían estar presentes provino del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation, una colaboración entre Caltech y el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Los detectores LIGO, combinados con una instalación europea en Italia llamada Virgo, están produciendo diferentes fusiones de agujeros negros a través de ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.
En 2016, LIGO anunció uno de los descubrimientos científicos más importantes del último medio siglo: la primera detección de ondas gravitacionales. Específicamente, los detectores con sede en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington, captaron la señal de la fusión de dos agujeros negros. Las masas de estos agujeros negros, 29 y 36 veces la masa del Sol, respectivamente, sorprendieron a los científicos. Si bien estos no son técnicamente de masa intermedia, son lo suficientemente grandes como para levantar las cejas.
Es posible que todos los agujeros negros de masa intermedia ya se hayan fusionado, pero también que la tecnología no se haya ajustado para localizarlos.
Entonces, ¿dónde están?
Buscar agujeros negros en el desierto de masa intermedia es complicado porque los agujeros negros en sí mismos no emiten luz. Sin embargo, los científicos pueden buscar señales reveladoras específicas utilizando telescopios sofisticados y otros instrumentos. Por ejemplo, debido a que el flujo de materia sobre un agujero negro no es constante, la aglomeración del material consumido causa ciertas variaciones en la salida de luz en el medio ambiente. Tales cambios se pueden ver más rápidamente en los agujeros negros más pequeños que en los más grandes.
"En una escala de horas, puede hacer la campaña de observación que para los núcleos galácticos activos clásicos lleva meses", dijo Chilingarian.
El candidato de agujero negro de masa intermedia más prometedor se llama HLX-1, con una masa de aproximadamente 20.000 veces la del Sol. HLX-1 significa "Fuente de rayos X hiperluminosa 1", y su producción de energía es mucho mayor que las estrellas similares al Sol. Fue descubierto en 2009 por el astrónomo australiano Sean Farrell, utilizando el telescopio espacial de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea. Un estudio de 2012 utilizando los telescopios espaciales Hubble y Swift de la NASA encontró sugerencias de un grupo de estrellas azules jóvenes que orbitan este objeto. Pudo haber sido el centro de una galaxia enana que fue tragada por la galaxia más grande ESO 243-49. Muchos científicos consideran que el HLX-1 es un agujero negro probado de masa intermedia, dijo Harrison.
"Los colores de la luz de rayos X que emite, y la forma en que se comporta, es muy similar a un agujero negro", dijo Harrison. "Mucha gente, incluido mi grupo, tiene programas para encontrar cosas que parecen HLX-1, pero hasta ahora ninguna es consistente. Pero la búsqueda continúa".
Los objetos menos brillantes que podrían ser agujeros negros de masa intermedia se denominan fuentes de rayos X ultraluminosas o ULX. Un parpadeo ULX llamado NGC 5408 X-1 ha sido especialmente intrigante para los científicos que buscan agujeros negros de masa intermedia. Pero los observatorios de rayos X NuSTAR y Chandra de la NASA asombraron a los científicos al revelar que muchos objetos ULX no son agujeros negros. En cambio, son púlsares, restos estelares extremadamente densos que parecen latir como faros.
M82 X-1, la fuente de rayos X más brillante de la galaxia M82, es otro objeto muy brillante que parece parpadear en escalas de tiempo consistentes con un agujero negro de masa intermedia. Estos cambios en el brillo están relacionados con la masa del agujero negro y son causados por el material en órbita cerca de la región interna del disco de acreción. Un estudio de 2014 analizó variaciones específicas en la luz de rayos X y estimó que M82 X-1 tiene una masa de aproximadamente 400 soles. Los científicos utilizaron datos de archivo del satélite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) de la NASA para estudiar estas variaciones de brillo de rayos X.
Más recientemente, los científicos investigaron un grupo más grande de posibles agujeros negros de masa intermedia. En 2018, Chilingarian y sus colegas describieron una muestra de 10 candidatos al volver a analizar los datos ópticos del Sloan Digital Sky Survey y hacer coincidir las perspectivas iniciales con los datos de rayos X de Chandra y XMM-Newton. Ahora están siguiendo con telescopios terrestres en Chile y Arizona. Mar Mezcua, del Instituto de Ciencias Espaciales de España, dirigió un estudio separado de 2018, también utilizando datos de Chandra, encontrando 40 agujeros negros en crecimiento en galaxias enanas que podrían estar en ese rango especial de masa intermedia. Pero Mezcua y sus colaboradores argumentan que estos agujeros negros se formaron originalmente en el colapso de nubes gigantes en lugar de originarse en explosiones estelares.
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| Esta imagen, tomada con el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral, muestra la región central de la galaxia NGC1313. Esta galaxia es el hogar de la fuente de rayos X ultraluminosa NCG1313X-1, que los astrónomos ahora han determinado que es un candidato de agujero negro de masa intermedia. NGC1313 tiene 50,000 años luz de diámetro y se encuentra a unos 14 millones de años luz de la Vía Láctea en la constelación del sur Reticulum. Créditos: ESO |
Que sigue.
Las galaxias enanas son lugares interesantes para seguir buscando porque, en teoría, los sistemas estelares más pequeños podrían albergar agujeros negros de masa mucho menor que los encontrados en los centros de galaxias más grandes como la nuestra.
Los científicos también están buscando cúmulos globulares (concentraciones esféricas de estrellas ubicadas en las afueras de la Vía Láctea y otras galaxias) por la misma razón.
"Podría haber agujeros negros como ese, en galaxias como esa, pero si no acumulan mucha materia, podría ser difícil verlos", dijo Strohmayer.
Los cazadores de agujeros negros de masa intermedia esperan ansiosos el lanzamiento del telescopio espacial James Webb de la NASA, que se remontará a los albores de las primeras galaxias. Webb ayudará a los astrónomos a determinar qué fue primero, la galaxia o su agujero negro central, y cómo ese agujero negro podría haberse unido. En combinación con las observaciones de rayos X, los datos infrarrojos de Webb serán importantes para identificar a algunos de los candidatos de agujeros negros más antiguos.
Otra nueva herramienta lanzada en julio por la agencia espacial rusa Roscosmos se llama Spectrum X-Gamma, una nave espacial que escaneará el cielo en rayos X, y lleva un instrumento con espejos desarrollados y construidos con el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama . La información de ondas gravitacionales que fluye de la colaboración LIGO-Virgo también ayudará en la búsqueda, al igual que la misión planificada de la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) de la Agencia Espacial Europea.
Esta flota de nuevos instrumentos y tecnologías, además de las actuales, ayudará a los astrónomos a medida que continúan recorriendo el jardín cósmico en busca de semillas de agujeros negros y galaxias como la nuestra.
Noticias Medios Contacto.
Calla Cofield
Laboratorio de Propulsión a Chorro, Pasadena, California.
626-808-2469
Escrito por Elizabeth Landau
Sede de la NASA, Washington
• Última actualización el 24 de septiembre del 2.019, enlace publicación.
