Los agujeros negros más grandes del cosmos no brotaron completamente desarrollados. Deben haber comenzado más pequeños, como semillas, luego, a través de colisiones y sorbidos de gas, crecieron rápidamente. La pregunta que enfrentan los astrónomos es, ¿cómo eran las semillas? ¿Cómo se formaron, qué tamaño tenían al nacer y cómo crecieron?
Para responder a estas preguntas, los astrónomos necesitan encontrar objetos similares a semillas. Llamados agujeros negros de masa intermedia, o IMBH, estos objetos deberían pesar entre los agujeros negros de masa estelar como Cygnus X-1 y los leviatanes que acechan en los centros de galaxias masivas, como el propio Sagitario A * de la Vía Láctea. Los observadores han encontrado unas pocas docenas de candidatos, con masas equivalentes a decenas a cientos de miles de soles. Pero no sabemos casi nada sobre ellos.
Sixjang Wen (Universidad de Arizona) y otros han examinado más de cerca a uno de esos candidatos y extraído información que nunca antes habíamos tenido sobre un IMBH. El agujero negro medio parece asentarse en un cúmulo de estrellas cerca de una galaxia a unos 750 millones de años luz de distancia en la constelación de Acuario. Normalmente, el agujero negro es invisible, pero los astrónomos lo detectaron cuando se rompió y se tragó una estrella, bordeándose entre los escombros brillantes e iluminándose en un evento denominado 3XMM J215022.4−055108 (en adelante J2150, porque soy verboso pero no con mi nomenclatura).
Cuando este tutú de gas caliente se arremolinaba y caía en el agujero negro, se calentó y emitió rayos X. El equipo utilizó observaciones que abarcan 12 años de los telescopios espaciales de rayos X XMM-Newton y Chandra para observar el desarrollo del cataclismo. El brillo a diferentes energías de rayos X y cómo cambia ese espectro con el tiempo dependen de la masa y el giro del agujero negro, porque determinan el paisaje del espacio-tiempo por el que viaja el gas.
Utilizando un enfoque diseñado originalmente para agujeros negros de masa estelar, el equipo pudo calcular la masa y el giro aproximados del IMBH: menos de 22.000 soles y aproximadamente el 80% del máximo, respectivamente. El estudio aparece en la revista Astrophysical Journal del 10 de septiembre.
Los astrónomos han utilizado calamidades de destrucción de estrellas, llamadas eventos de interrupción de mareas (TDE), para medir los giros de los agujeros negros supermasivos antes, pero nunca lo han hecho para un IMBH. “El potencial adicional de restringir el giro, además de la masa del agujero negro, es ciertamente emocionante”, dice el experto en TDE Suvi Gezari (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial) sobre el nuevo método.
Pero lo realmente curioso de este resultado es el valor del giro. Los agujeros negros pueden tener giros de 0 a 1, donde 1 es el máximo permitido para la masa del agujero negro. El valor del giro puede decirnos cómo creció un agujero negro. Pero no hay una buena explicación para un valor de 0,8. Es un poco demasiado alto para coincidir con los agujeros negros creados al fusionar los más pequeños, que las mediciones de ondas gravitacionales muestran que a menudo tienen giros agrupados alrededor de 0,7. También es demasiado alto para haber crecido comiendo bocadillos de gas intermitentes desde muchas direcciones, pero demasiado bajo para haber crecido comiendo un flujo constante de gas: esos agujeros negros deberían girar cerca del máximo.
Por tanto, es un misterio cómo se formó y creció el IMBH de J2150. Wen favorece personalmente las colisiones de estrellas fuera de control o incluso el colapso directo, en el que una gran nube de gas prístina se arrugó sobre sí misma y creó un agujero negro desde cero. El agujero negro tiene la masa adecuada para encajar en el escenario de colapso directo, que compite con un par de otros como un origen favorito para las semillas en el universo temprano.
El siguiente paso, por supuesto, será reunir más IMBH revelados por TDE. El telescopio espacial de rayos X eROSITA será un actor clave: ya ha encontrado una docena de TDE desde su lanzamiento en 2019, y los astrónomos esperan encontrar muchos más. Wen dice que él y sus colegas aún no pueden usar los descubrimientos de eROSITA con su método, sin embargo, porque no hay suficiente información: el telescopio ha estado escaneando el cielo en modo de encuesta y necesitan exposiciones más largas de apuntamiento dirigido, que vendrá más adelante.
Fuentes
S. Wen et al. “Mass, Spin, and Ultralight Boson Constraints from the Intermediate-mass Black Hole in the Tidal Disruption Event 3XMM J215022.4–055108.” Astrophysical Journal. September 10, 2021.
