¿Cuántos agujeros negros se esconden? Un estudio de la NASA da con la respuesta
Recientemente, varios telescopios de la NASA ayudaron a los científicos a buscar en el cielo agujeros negros supermasivos (aquellos que son hasta miles de millones de veces más pesados que el Sol). El nuevo estudio es único porque tenía la misma probabilidad de encontrar agujeros negros masivos que están ocultos detrás de densas nubes de gas y polvo que los que no lo están.
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| En esta imagen conceptual, un agujero negro supermasivo rodeado por un toro de gas y polvo se representa en cuatro longitudes de onda de luz diferentes. La luz visible (arriba a la derecha) y los rayos X de baja energía (abajo a la izquierda) son bloqueados por el toro; los rayos infrarrojos (arriba a la izquierda) se dispersan y se reemiten; y algunos rayos X de alta energía (abajo a la derecha) pueden penetrar el toro. Crédito: NASA/JPL-Caltech |
Los astrónomos creen ahora que cada gran galaxia del universo tiene un agujero negro supermasivo en su centro. Pero comprobar esta hipótesis es difícil porque los investigadores no pueden contar los miles de millones o incluso billones de agujeros negros supermasivos que se cree que existen en el universo, y en su lugar tienen que extrapolar a partir de muestras más pequeñas para conocer la población más grande. Por lo tanto, medir con precisión la proporción de agujeros negros supermasivos ocultos en una muestra dada ayudará a los científicos a estimar mejor el número total de agujeros negros supermasivos en el universo.
El nuevo estudio publicado en el Astrophysical Journal descubrió que aproximadamente el 35% de los agujeros negros supermasivos están muy oscurecidos, lo que significa que las nubes de gas y polvo que los rodean son tan densas que incluso bloquean la luz de rayos X de baja energía. Investigaciones similares anteriores habían encontrado menos del 15%. Los científicos creen que la verdadera división debería estar más cerca del 50/50 basándose en modelos de cómo crecen las galaxias. Pero si las observaciones continúan mostrando un porcentaje menor, los científicos necesitarán ajustar algunas ideas clave que tienen sobre los agujeros negros supermasivos y el papel que desempeñan en la formación de las galaxias.
Tesoro escondido
Aunque los agujeros negros son inherentemente oscuros (ni siquiera la luz puede escapar de su gravedad), también pueden ser algunos de los objetos más brillantes del universo: cuando el gas es atraído hacia la órbita alrededor de un agujero negro supermasivo, como el agua en un desagüe, la gravedad extrema crea una fricción y un calor tan intensos que el gas alcanza cientos de miles de grados e irradia tan brillantemente que puede eclipsar a todas las estrellas de la galaxia circundante.
Las nubes de gas y polvo que rodean y renuevan el brillante disco central pueden tener la forma aproximada de un toroide o rosquilla. Si el agujero en forma de rosquilla apunta hacia la Tierra, el brillante disco central que hay en su interior es visible; si el agujero en forma de rosquilla está de canto, el disco queda oculto. La mayoría de los telescopios pueden identificar con bastante facilidad los agujeros negros supermasivos vistos de frente, pero no los vistos de canto.
Pero hay una excepción a esto que los autores del nuevo artículo aprovecharon: el donut absorbe la luz de la fuente central y reemite luz de menor energía en el rango infrarrojo, o longitudes de onda ligeramente más largas que las que los ojos humanos pueden detectar. Básicamente, los donuts brillan en infrarrojo.
Estas longitudes de onda de luz fueron detectadas por la misión Infrared Array Survey (IRAS) de la NASA, que funcionó durante 10 meses en 1983 y fue administrada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. IRAS, un telescopio de sondeo que captaba imágenes de todo el cielo, era capaz de ver las emisiones infrarrojas de las nubes que rodeaban a los agujeros negros supermasivos. Lo más importante es que podía detectar agujeros negros de canto y de frente con la misma precisión.
El IRAS detectó cientos de objetivos iniciales. Algunos de ellos resultaron no ser agujeros negros muy oscuros, sino galaxias con altas tasas de formación estelar que emiten un resplandor infrarrojo similar. Por ello, el equipo utilizó telescopios terrestres de luz visible para identificar estos últimos y separarlos.
Para confirmar la presencia de agujeros negros muy oscurecidos y de canto, los investigadores se basaron en el NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA, un observatorio de rayos X también gestionado por el JPL. Los rayos X son irradiados por algunos de los materiales más calientes alrededor del agujero negro. Los rayos X de menor energía serán absorbidos por las nubes de gas y polvo circundantes, mientras que los rayos X de mayor energía observados por el NuSTAR pueden penetrar y dispersarse en las nubes. Esto puede llevar horas de observación, por lo que los científicos que trabajan con el NuSTAR primero necesitan un telescopio como el IRAS que les indique dónde mirar.
“Me sorprende lo útiles que fueron IRAS y NuSTAR para este proyecto, especialmente a pesar de que IRAS estuvo en funcionamiento hace más de 40 años”, dijo el líder del estudio, Peter Boorman, astrofísico de Caltech en Pasadena, California. “Creo que muestra el valor del legado de los archivos de telescopios y el beneficio de usar múltiples instrumentos y longitudes de onda de luz en conjunto”.
Ventaja numérica
Determinar el número de agujeros negros ocultos en comparación con los que no lo están puede ayudar a los científicos a entender cómo estos agujeros negros llegan a ser tan grandes. Si crecen consumiendo material, entonces una cantidad significativa de agujeros negros deberían estar rodeados por nubes espesas y posiblemente ocultos. Boorman y sus coautores dicen que este primer análisis imparcial de la población apoya esta hipótesis.
Además, los agujeros negros influyen en las galaxias en las que viven, principalmente al afectar la forma en que crecen las galaxias. Esto sucede porque los agujeros negros rodeados de enormes nubes de gas y polvo pueden consumir enormes cantidades de material, pero no infinitas. Si cae demasiado material a la vez hacia un agujero negro, este comienza a expulsarlo hacia la galaxia. Eso puede dispersar las nubes de gas dentro de la galaxia donde se están formando las estrellas, lo que ralentiza el ritmo de formación de estrellas en la galaxia.
“Si no tuviéramos agujeros negros, las galaxias serían mucho más grandes”, dijo Poshak Gandhi, profesor de astrofísica en la Universidad de Southampton en el Reino Unido y coautor del nuevo estudio. “Por lo tanto, si no tuviéramos un agujero negro supermasivo en nuestra galaxia, la Vía Láctea, podría haber muchas más estrellas en el cielo. Ese es solo un ejemplo de cómo los agujeros negros pueden influir en la evolución de una galaxia”.
Más información sobre NuSTAR
NuSTAR se lanzó el 13 de junio de 2012. Se trata de una misión Small Explorer dirigida por Caltech en Pasadena, California, y gestionada por el JPL para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington, y fue desarrollada en colaboración con la Universidad Técnica Danesa (DTU) y la Agencia Espacial Italiana (ASI). La óptica del telescopio fue construida por la Universidad de Columbia, el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y la DTU. La nave espacial fue construida por Orbital Sciences Corp. en Dulles, Virginia. El centro de operaciones de la misión NuSTAR está en la Universidad de California, Berkeley, y el archivo de datos oficial está en el Centro de Investigación del Archivo Científico de Astrofísica de Altas Energías de la NASA. ASI proporciona la estación terrestre de la misión y un archivo de datos espejo. Caltech gestiona el JPL para la NASA.
Contacto con los medios de comunicación
Laboratorio de Propulsión a Chorro Calla Cofield, Pasadena, California
Publicado en NUStar el 13 de enero del 2025, enlace publicación.
