Los astrónomos examinan los agujeros negros menos masivos en el centro de las galaxias en el universo local

Nuestro trabajo de investigación ha revelado, por primera vez, la naturaleza de los agujeros negros supermasivos menos masivos en los centros de las galaxias cercanas. Utilizamos datos de rayos X de alta calidad del observatorio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea para estudiar de cerca los comportamientos temporales y espectrales de una muestra de núcleos galácticos activos que albergan los agujeros negros supermasivos más pequeños en el centro.

Figura 1. Imágenes ópticas de las 13 galaxias seleccionadas observadas por el Telescopio de exploración panorámica y el Sistema de respuesta rápida (Pan-STARRS). El cuadrado rojo en cada imagen muestra la posición del núcleo galáctico activo emisor de rayos X (AGN). La parte inferior derecha es una obra de arte que representa el motor central AGN que alberga un agujero negro supermasivo en el centro. Crédito: SIMBAD y NASA

Un núcleo galáctico activo (AGN) es la región más luminosa y compacta en el centro de una galaxia, y la galaxia que alberga un AGN se conoce como galaxia activa. Nuestro universo es el hogar de innumerables objetos misteriosos. Los agujeros negros supermasivos, ubicados en el centro de las galaxias activas, son ejemplos de estos objetos exóticos, y pueden tener masas de aproximadamente  desde cien mil a diez billones la del sol. Sin embargo, la mayor parte de nuestro conocimiento sobre los procesos físicos que ocurren en el motor central AGN se limita a las galaxias activas que albergan agujeros negros supermasivos de una masa superior a un millón de veces la del sol, y sabemos muy poco sobre el extremo de baja masa de los AGN. donde la masa del agujero negro supermasivo central es de cien mil a un millón de veces la masa solar. Los AGN menos masivos pueden proporcionar una nueva visión de cómo crecen los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias y son cruciales para restringir los modelos cosmológicos de crecimiento de agujeros negros.

Como los AGN se estudian mejor en la banda de ondas de rayos X, comenzamos a buscar los AGN menos masivos en los archivos de rayos X, que revelaron 29 objetos en el campo de visión de XMM-Newton. Algunos de estos objetos ni siquiera tienen observaciones de rayos X puntiagudas. Ningún estudio científico anterior a nuestras investigaciones ha revelado propiedades físicas detalladas de la muestra AGN menos masiva, incluso con los otros telescopios de rayos X de todo el mundo, como Chandra, Suzaku, NuSTAR, etc. Esto puede explicarse por la sensibilidad limitada de los actuales telescopios de rayos X o la escasez de pequeños agujeros negros supermasivos en nuestro universo local.

Realizamos una investigación en profundidad de las 13 fuentes seleccionadas que tienen datos XMM-Newton de alta relación señal-ruido. La Figura 1 muestra las imágenes ópticas de las 13 galaxias seleccionadas observadas por el Telescopio de exploración panorámica y el Sistema de respuesta rápida (Pan-STARRS). Primero medimos los retrasos de tiempo entre los fotones de rayos X suaves y duros y mapeamos la geometría de la región emisora ​​de rayos X, conocida como corona, ubicada cerca del agujero negro central. Nuestros hallazgos sugieren que el tamaño de la corona emisora ​​de rayos X no depende necesariamente de la masa del agujero negro. En cambio, el tamaño de la corona depende del giro del agujero negro, otro parámetro fundamental que caracteriza a un agujero negro. Inferimos que la corona más compacta se puede encontrar solo alrededor de los agujeros negros que giran más rápidamente.

Figura 2. Evolución del giro del agujero negro en función de la masa. Crédito: Mallick et al. 2022

La variación de los recuentos de fotones de rayos X en función de la energía reveló un exceso de emisión en la banda de rayos X de menor energía por debajo de 1,5 kiloelectronvoltios para cada AGN de ​​baja masa, similar a lo que normalmente observamos en los AGN de ​​alta masa. Recientemente desarrollamos un nuevo modelo para explicar ese exceso de emisión, que reveló una atmósfera iluminada increíblemente densa (10^18 por centímetros cúbicos) que rodeaba el agujero negro. Esperamos que los AGN menos masivos tengan un entorno más denso que sus contrapartes de mayor masa, según una teoría predicha hace casi 50 años. Notamos una caída en el giro de los agujeros negros en regímenes de baja masa (ver Figura 2), lo que nos dice que la colisión o fusión de pares de agujeros negros de masa intermedia podría formar los pequeños agujeros negros supermasivos. No obstante, tendremos que esperar a que el futuro detector de ondas gravitacionales LISA de la ESA confirme este escenario.

Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar sobre los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Más información: L. Mallick et al. Espectroscopía de reflexión de disco de alta densidad de núcleos galácticos activos de baja masa, MNRAS (2022). DOI: doi.org/10.1093/mnras/stac990

Labani Mallick es investigador asociado posdoctoral en el Instituto de Tecnología de California (Caltech). Su investigación se centra en la acumulación de agujeros negros en regímenes de gravedad extrema, así como en estudios cósmicos. Realiza análisis de tiempo espectral de la acumulación de agujeros negros supermasivos y de masa intermedia utilizando datos de varios telescopios espaciales y estudia la materia que se mueve en espiral en el flujo de acumulación interno.

Autores:

Labani Mallick, D. Wilkins, A. Fabian, J. García, M. Parker, J. Tomsick

• Publicado en ScienceX el 2 de mayo del 2022, enlace artículo.