¿Cómo se vuelven supermasivos los agujeros negros supermasivos?
Al combinar observaciones de rayos X de vanguardia con simulaciones de supercomputadoras de última generación sobre la formación de galaxias a lo largo de la historia cósmica, los investigadores han proporcionado el mejor modelo hasta la fecha del crecimiento de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias. Utilizando este enfoque híbrido, un equipo de investigación dirigido por astrónomos de Penn State obtuvo una imagen completa del crecimiento de los agujeros negros a lo largo de 12 mil millones de años, desde la infancia del Universo, hace unos 1.800 millones de años, hasta la actualidad, con 13.800 millones de años.
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| Al combinar observaciones de rayos X de vanguardia con simulaciones de supercomputadoras de última generación sobre la acumulación de galaxias a lo largo de la historia cósmica, los investigadores han proporcionado el mejor modelado hasta la fecha del crecimiento de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias. La imagen de fondo en el lado izquierdo de este gráfico muestra una imagen de datos que combina rayos X de XMM-Newton (azul) y datos de luz óptica (amarillo y verde). El recuadro es una ilustración de un artista que muestra un agujero negro supermasivo que acumula material de un disco circundante, que es lo que genera los rayos X que los astrónomos han observado. En el lado derecho del gráfico, se muestra un modelado de supercomputadora de la densidad de gas a lo largo del tiempo cósmico utilizando IllustrisTNG. Las regiones más densas, que muestran galaxias y cúmulos de galaxias, están en verde. Imagen: ESA/XMM-Newton/Penn State/F. Zou et al.; Ilustración: N. Trehnl (Penn State); Simulaciones: The TNG Collaboration |
La investigación consta de dos artículos, uno publicado en The Astrophysical Journal en abril de 2024 y otro aún no publicado que se enviará a la misma revista. Los resultados se presentarán en la 244.ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense, que se celebrará del 9 al 13 de junio en el Centro de Convenciones Monona Terrace en Madison, Wisconsin. Los resultados también se presentarán durante una conferencia de prensa que se transmitirá en vivo el martes 11 de junio, de 14:15 a 15:15 horas (hora del centro de Estados Unidos).
“Los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias tienen entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol”, dijo Fan Zou, estudiante de posgrado en Penn State y primer autor de los artículos. “¿Cómo se convierten en esos monstruos? Esta es una pregunta que los astrónomos han estado estudiando durante décadas, pero ha sido difícil rastrear todas las formas en que los agujeros negros pueden crecer de manera confiable”.
Los agujeros negros supermasivos crecen a través de una combinación de dos canales principales: consumen gas frío de su galaxia anfitriona (un proceso llamado acreción) y pueden fusionarse con otros agujeros negros supermasivos cuando las galaxias colisionan.
“Durante el proceso de consumo de gas de las galaxias que los albergan, los agujeros negros irradian rayos X intensos, y esta es la clave para rastrear su crecimiento por acreción”, dijo W. Niel Brandt, profesor de cátedra de Astronomía y Astrofísica de la Familia Eberly y profesor de Física en Penn State y líder del equipo de investigación. “Medimos el crecimiento impulsado por la acreción utilizando datos de sondeos del cielo con rayos X acumulados durante más de 20 años de tres de las instalaciones de rayos X más potentes jamás lanzadas al espacio”.
El equipo de investigación utilizó datos complementarios del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, la Misión de Rayos X Multi-Mirror-Newton (XMM-Newton) de la Agencia Espacial Europea y el telescopio eROSITA del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre. En total, midieron el crecimiento impulsado por la acreción en una muestra de 1,3 millones de galaxias que contenían más de 8.000 agujeros negros de rápido crecimiento.
“Todas las galaxias y agujeros negros de nuestra muestra están muy bien caracterizados en múltiples longitudes de onda, con excelentes mediciones en las bandas de infrarrojos, ópticos, ultravioleta y rayos X”, dijo Zou. “Esto permite sacar conclusiones sólidas, y los datos muestran que, en todas las épocas cósmicas, las galaxias más masivas hicieron crecer sus agujeros negros por acreción más rápido. Con la calidad de los datos, pudimos cuantificar este importante fenómeno mucho mejor que en trabajos anteriores”.
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| Imagen de rayos X del Campo Profundo Sur de Chandra. Se trata de la imagen de rayos X más profunda obtenida hasta el momento y es uno de los conjuntos de datos utilizados por Zou et al. para estudiar el crecimiento de los agujeros negros supermasivos a lo largo de miles de millones de años. Imagen: ESA/XMM-Newton/Penn State/F. Zou et al.; Ilustración: N. Trehnl (Penn State); Simulaciones: The TNG Collaboration |
La segunda forma en que crecen los agujeros negros supermasivos es a través de fusiones, donde dos agujeros negros supermasivos chocan y se fusionan para formar un solo agujero negro aún más masivo. Para rastrear el crecimiento por fusiones, el equipo utilizó IllustrisTNG, un conjunto de simulaciones de supercomputadoras que modelan la formación, evolución y fusión de galaxias desde poco después del Big Bang hasta el presente.
“En nuestro enfoque híbrido, combinamos el crecimiento observado por acreción con el crecimiento simulado a través de fusiones para reproducir la historia de crecimiento de los agujeros negros supermasivos”, dijo Brandt. “Con este nuevo enfoque, creemos que hemos producido la imagen más realista del crecimiento de los agujeros negros supermasivos hasta el día de hoy”.
Los investigadores descubrieron que, en la mayoría de los casos, la acreción dominaba el crecimiento de los agujeros negros. Las fusiones hicieron contribuciones secundarias notables, especialmente durante los últimos 5 mil millones de años de tiempo cósmico en el caso de los agujeros negros más masivos. En general, los agujeros negros supermasivos de todas las masas crecieron mucho más rápidamente cuando el Universo era más joven. Debido a esto, el número total de agujeros negros supermasivos estaba prácticamente establecido hace 7 mil millones de años, mientras que en etapas anteriores del Universo siguieron surgiendo muchos nuevos.
“Con nuestro enfoque, podemos rastrear cómo los agujeros negros centrales en el universo local probablemente crecieron a lo largo del tiempo cósmico”, dijo Zou. “Como ejemplo, consideramos el crecimiento del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que tiene una masa de 4 millones de masas solares. Nuestros resultados indican que el agujero negro de nuestra galaxia probablemente creció relativamente tarde en el tiempo cósmico”.
Además de Zou y Brandt, el equipo de investigación incluye a Zhibo Yu, estudiante de posgrado en Penn State; Hyungsuk Tak, profesor asistente de estadística y de astronomía y astrofísica en Penn State; Elena Gallo en la Universidad de Michigan; Bin Luo en la Universidad de Nanjing en China; Qingling Ni en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania; Yongquan Xue en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China; y Guang Yang en la Universidad de Groningen en los Países Bajos.
Este trabajo contó con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, el Centro de rayos X Chandra y Penn State. El trabajo también fue posible gracias a que los resultados de la simulación de IllustrisTNG se compartieron con la comunidad científica.
Contacto con los medios:
Megan Watzke
Centro de rayos X Chandra, Cambridge, Massachusetts
617-496-7998
Publicado en Chandra el 11 de junio del 2024, enlace publicación.
