Combinando observaciones de vanguardia de rayos X con simulaciones de supercomputadoras de última generación de la acumulación 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 ha obtenido una imagen completa del crecimiento de los agujeros negros a lo largo de 12 mil millones de años, desde la infancia del universo, alrededor de 1,8 mil millones de años, hasta la actualidad, que tiene 13,8 mil millones de años.
La investigación consta de dos artículos, uno publicado en The Astrophysical Journal y otro aún inédito que se enviará a la misma revista. Los resultados se presentarán en la 244ª 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 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 tales monstruos? Esta es una cuestión 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 mediante 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 chocan.
«Durante el proceso de consumo de gas de las galaxias que los albergan, los agujeros negros irradian fuertes rayos X, y esta es la clave para rastrear su crecimiento por acreción», dijo W. Niel Brandt, profesor de Astronomía y Astrofísica de la Cátedra 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 estudios 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 espejos múltiples de rayos X-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 magníficas mediciones en las bandas infrarroja, óptica, ultravioleta y de rayos X», dijo Zou. «Esto permite sacar conclusiones sólidas, y los datos muestran que, en todas las épocas cósmicas, las galaxias más masivas desarrollaron sus agujeros negros mediante acreción más rápidamente. Con la calidad de los datos, pudimos cuantificar este importante fenómeno mucho mejor que en trabajos anteriores. «.
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 único 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 mediante fusiones para reproducir la historia de crecimiento de los agujeros negros supermasivos», dijo Brandt. «Con este nuevo enfoque creemos que hemos obtenido 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, para 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 casi se estableció hace 7 mil millones de años, mientras que antes en el universo seguían 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, hemos considerado 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 lo más probable es que el agujero negro de nuestra galaxia haya crecido 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 astronomía y astrofísica en Penn State; Elena Gallo de la Universidad de Michigan; Bin Luo de la Universidad de Nanjing en China; Qingling Ni del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania; Yongquan Xue de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China; y Guang Yang de la Universidad de Groningen en Países Bajos.
Con información de The Astrophysical Journal (2024)
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