Nuevo análisis muestra nueva visión fundamentalmente diferente de los agujeros negros supermasivos


En el centro de la mayoría de las galaxias se encuentra un agujero negro supermasivo. Algunos de estos se alimentan activamente del gas y el polvo que los rodea, expulsando el exceso de energía en forma de poderosos chorros que se ven como cuásares en todo el Universo observable. Un nuevo estudio dirigido por astrónomos del Cosmic Dawn Center revisó este proceso utilizando nuevas técnicas, y los resultados pueden cambiar la forma en que pensamos sobre las dietas de estos gigantes cósmicos.

Impresión artística del cuásar ULAS J1120+0641. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Ubicados en el centro de las galaxias, los agujeros negros supermasivos son millones o incluso miles de millones de veces más masivos que nuestro Sol. Con su atracción gravitatoria extrema, son capaces de engullir grandes cantidades de gas, polvo y tal vez incluso estrellas que vagan por su vecindad.

La física nos dice que este material tiende a formar un disco a medida que es atraído hacia el agujero negro en un fenómeno llamado «acreción». Ahora bien, estos discos de acreción son algunos de los lugares más hostiles y violentos del Universo conocido, con velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz y temperaturas muy por encima de la superficie de nuestro Sol. Este calor produce radiación que vemos como luz, pero la conversión de calor en luz es tan eficiente (aproximadamente 30 veces más eficiente que la fusión nuclear) que los físicos no entienden cómo.

Gigantes cósmicos hambrientos

Los patrones dietéticos de los agujeros negros tienen un amplio rango. Algunos, como el de nuestra Galaxia, no tienen mucha hambre y no parecen tener discos de acreción. Pero vemos otras galaxias con un hambre voraz cuyos agujeros negros supermasivos han desarrollado discos de acreción extremadamente calientes, tan brillantes que eclipsan a todas las estrellas de su galaxia.

Recientemente obtuvimos nuestra primera imagen de un disco de acreción del Event Horizon Telescope, una red mundial de radiotelescopios. Sin embargo, este disco de acreción pertenece a una galaxia muy cercana. No podemos repetir este experimento con galaxias más distantes ya que los discos son simplemente demasiado pequeños y, por lo tanto, no se resuelven, ni siquiera con los telescopios más grandes.

La variabilidad es clave

Afortunadamente, otro método para probar el tamaño y la estructura de los discos de acreción distantes parece prometedor: aunque no podemos resolver los diversos componentes de los discos, podemos estudiar cómo varía su intensidad en el tiempo. Al estudiar las variaciones en la luz de los discos, podemos armar una imagen de los discos de acreción incluso de las galaxias más distantes.

El agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87. Las rayas muestran la luz polarizada del campo eléctrico del gas cayendo en picado hacia el agujero negro. Crédito: Colaboración EHT. et al. 2021

Esto es lo que DAWN Ph.D. El compañero John Weaver lo ha hecho, investigando observaciones pasadas de más de 9,000 galaxias con discos de acreción brillantes, los llamados cuásares, del programa de observación «Sloan Digital Sky Survey».

Cuando la fuente no se resuelve, la luz observada del disco de acreción estará «contaminada» por la luz de la galaxia que alberga el agujero negro. Esta luz no deseada de las galaxias anfitrionas ha sido ignorada en gran medida por estudios anteriores. Sin embargo, al usar un nuevo modelo para las variaciones en la luz del cuásar, John Weaver y su colaborador Keith Horne, profesor de astronomía en la Universidad de St Andrews, pudieron separar la luz del disco de acreción de la de la galaxia anfitriona.

En otras palabras, el modelo les permitió ver más directamente la luz del disco de acreción alrededor de los agujeros negros supermasivos, incluso en galaxias a miles de millones de años luz de distancia.

Oscurecido por el polvo

Lo que Weaver y Horne encontraron fue que el polvo cósmico cerca del disco de acreción probablemente bloqueaba su vista. Usando varios modelos diferentes de polvo cósmico para tener en cuenta y eliminar sus efectos de oscurecimiento, pudieron determinar qué tan caliente está el disco de acreción, tanto cerca del agujero negro como lejos en los bordes del disco.

Esta diferencia de temperatura entre el disco interior caliente y el disco exterior frío ha sido predicha teóricamente. Sin embargo, lo que Weaver y Horne encontraron mediante la observación fue una imagen muy diferente de la temperatura del disco: resultó que los discos estaban aún más calientes cerca del agujero negro de lo previsto. Estos hallazgos inesperados se publicaron hoy en Monthly Notices of The Royal Astronomical Society y sugieren que nuestras suposiciones y modelos teóricos deben revisarse, con consecuencias para nuestra comprensión de los agujeros negros supermasivos en general.

No solo tenemos más que aprender sobre los agujeros negros supermasivos, sino que las variaciones en su hambre voraz son una maravillosa demostración de que nuestro Universo es un lugar mucho más dinámico de lo que cabría esperar al observar el cielo nocturno estático.

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