El estudio espacial ofrece la comprensión más clara hasta ahora del ciclo de vida de los agujeros negros supermasivos


Los agujeros negros con diferentes firmas de luz, pero que se pensaba que eran los mismos objetos vistos desde diferentes ángulos, en realidad se encuentran en diferentes etapas del ciclo de vida, según un estudio dirigido por investigadores de Dartmouth.

La investigación sobre los agujeros negros conocidos como «núcleos galácticos activos» o AGN, dice que definitivamente muestra la necesidad de revisar el «modelo unificado de AGN» ampliamente utilizado que caracteriza a los agujeros negros supermasivos como si todos tuvieran las mismas propiedades.

El estudio, publicado en The Astrophysical Journal Supplement Series, proporciona respuestas a un misterio espacial persistente y debería permitir a los investigadores crear modelos más precisos sobre la evolución del universo y cómo se desarrollan los agujeros negros.

El anillo en forma de rosquilla que rodea muchos agujeros negros supermasivos les dice a los investigadores qué tan rápido se alimenta el objeto espacial y puede cambiar la forma en que se ve el agujero negro desde la Tierra. Crédito: ESA/NASA, el proyecto AVO y Paolo Padovani

«Estos objetos han desconcertado a los investigadores durante más de medio siglo», dijo Tonima Tasnim Ananna, investigadora asociada postdoctoral en Dartmouth y autora principal del artículo. «Con el tiempo, hemos hecho muchas suposiciones sobre la física de estos objetos. Ahora sabemos que las propiedades de los agujeros negros oscurecidos son significativamente diferentes de las propiedades de los AGN que no están tan ocultos».

Se cree que los agujeros negros supermasivos residen en el centro de casi todas las galaxias grandes, incluida la Vía Láctea. Los objetos devoran gas galáctico, polvo y estrellas, y pueden volverse más pesados ​​que pequeñas galaxias.

Durante décadas, los investigadores se han interesado en las firmas de luz de los núcleos galácticos activos, un tipo de agujero negro supermasivo que se está «acretando» o en una etapa de rápido crecimiento.

A fines de la década de 1980, los astrónomos se dieron cuenta de que las firmas de luz provenientes del espacio que van desde longitudes de onda de radio hasta rayos X podrían atribuirse a los AGN. Se suponía que los objetos generalmente tenían un anillo en forma de rosquilla, o «toroide», de gas y polvo a su alrededor. Se pensó que los diferentes brillos y colores asociados con los objetos eran el resultado del ángulo desde el que se observaban y la cantidad de toroide que oscurecía la vista.

A partir de esto, la teoría unificada de AGN se convirtió en la comprensión predominante. La teoría indica que si se observa un agujero negro a través de su toroide, debería parecer débil. Si se ve desde abajo o desde arriba del anillo, debería verse brillante. Sin embargo, según el estudio actual, la investigación anterior se basó demasiado en los datos de los objetos menos oscurecidos y los resultados de la investigación sesgados.

El nuevo estudio se centra en la rapidez con la que los agujeros negros se alimentan de materia espacial o sus tasas de acumulación. La investigación encontró que la tasa de acreción no depende de la masa de un agujero negro, sino que varía significativamente dependiendo de qué tan oscurecido esté por el anillo de gas y polvo.

«Esto respalda la idea de que las estructuras toroidales alrededor de los agujeros negros no son todas iguales», dijo Ryan Hickox, profesor de física y astronomía y coautor del estudio. «Hay una relación entre la estructura y cómo va creciendo».

El resultado muestra que la cantidad de polvo y gas que rodea a un AGN está directamente relacionada con cuánto se alimenta, lo que confirma que existen diferencias más allá de la orientación entre las diferentes poblaciones de AGN. Cuando un agujero negro se acumula a un ritmo elevado, la energía se lleva el polvo y el gas. Como resultado, es más probable que no esté oscurecido y parezca más brillante. Por el contrario, un AGN menos activo está rodeado por un toroide más denso y parece más débil.

«En el pasado, no estaba claro cómo la población AGN oscurecida variaba de sus contrapartes no oscurecidas más fácilmente observables», dijo Ananna. «Esta nueva investigación definitivamente muestra una diferencia fundamental entre las dos poblaciones que va más allá del ángulo de visión».

El estudio se deriva de un análisis de una década de AGN cercanos detectados por Swift-BAT, un telescopio de rayos X de la NASA de alta energía. El telescopio permite a los investigadores escanear el universo local para detectar AGN oscurecidos y no oscurecidos.

La investigación es el resultado de una colaboración científica internacional, la encuesta espectroscópica BAT AGN (BASS), que ha estado trabajando durante más de una década para recopilar y analizar la espectroscopia óptica/infrarroja para AGN observada por Swift BAT.

«Nunca antes habíamos detectado una muestra tan grande de AGN local oscurecido por rayos X», dijo Ananna. «Esta es una gran victoria para los telescopios de rayos X de alta energía».

El documento se basa en investigaciones anteriores del equipo de investigación que analiza los AGN. Para el estudio, Ananna desarrolló una técnica computacional para evaluar el efecto de oscurecer la materia en las propiedades observadas de los agujeros negros y analizó los datos recopilados por el equipo de investigación más amplio utilizando esta técnica.

Según el artículo, al conocer la masa de un agujero negro y qué tan rápido se está alimentando, los investigadores pueden determinar cuándo la mayoría de los agujeros negros supermasivos experimentaron la mayor parte de su crecimiento, proporcionando así información valiosa sobre la evolución de los agujeros negros y el universo.

«Una de las preguntas más importantes en nuestro campo es de dónde provienen los agujeros negros supermasivos», dijo Hickox. «Esta investigación proporciona una pieza fundamental que puede ayudarnos a responder esa pregunta y espero que se convierta en una referencia fundamental para esta disciplina de investigación».

La investigación futura podría incluir centrarse en longitudes de onda que permitan al equipo buscar más allá del universo local. En un plazo más cercano, al equipo le gustaría comprender qué desencadena que los AGN entren en modo de alta acumulación y cuánto tardan los AGN en rápida acumulación en la transición de muy oscurecidos a no oscurecidos.

Con información de Universidad de Dartmouth

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