Hay un universo lleno de agujeros negros que giran alegremente, algunos rápido, otros más lentamente. Un estudio reciente de agujeros negros supermasivos revela que sus velocidades de giro revelan algo sobre su historia de formación.
Si desea describir las características de un agujero negro supermasivo, hay dos números importantes que se pueden utilizar. Uno es su masa y el otro es su velocidad de giro. Se cree que algunas velocidades de giro de agujeros negros están muy cerca de la velocidad de la luz.
Según Logan Fries, estudiante de doctorado en la Universidad de Connecticut, esos números son difíciles de obtener. «El problema es que la masa es difícil de medir, y el giro es aún más difícil», dijo. Sin embargo, tener números precisos es importante si queremos comprender la evolución de los agujeros negros.
Fries y sus colegas del Proyecto de Mapeo de Reverberación del Sloan Digital Sky Survey asumieron una tarea difícil. Midieron las velocidades de giro de los agujeros negros a lo largo de la historia cósmica. «Hemos estudiado los agujeros negros gigantes que se encuentran en los centros de las galaxias, desde hoy hasta hace 7.000 millones de años», dijo Fries, autor principal de un artículo sobre este trabajo.
El proyecto de mapeo también realizó observaciones detalladas de los discos de acreción asociados. Esas son las áreas más cercanas al agujero negro donde la materia se acumula y se calienta a medida que se va moviendo en espiral. Medir esa región es importante, ya que conocer la masa del agujero negro y la estructura de su disco de acreción proporciona datos que les permiten medir la velocidad de giro. Los astrónomos generalmente estiman la velocidad de giro observando cómo se comporta la materia a medida que cae en el agujero negro.
Los agujeros negros y su arqueología
Los resultados del sondeo SDSS de mediciones de masa de cientos de agujeros negros fueron una sorpresa, según Fries. Esto se debe a que las velocidades de giro revelan algo sobre la historia de formación de los agujeros negros. «Inesperadamente, descubrimos que giraban demasiado rápido para haberse formado solo por fusiones de galaxias», dijo. «Deben haberse formado en gran parte a partir de material que cayó en el agujero negro, lo que hizo que éste creciera suavemente y acelerara su rotación».
Fries describió su trabajo en la 245.ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana. «He leído artículos de investigación que examinan el giro de los agujeros negros, teóricamente, desde la perspectiva de fusiones de agujeros negros similares, y tenía curiosidad por saber si el giro se podía medir mediante observaciones», dijo Fries. Señaló que la historia del crecimiento de los agujeros negros requiere mediciones más precisas de las que se han realizado hasta ahora.
Y no son fáciles, según el asesor de tesis de Fries, el profesor de Física Jonathan Trump. «El desafío consiste en separar el giro del agujero negro del giro del disco de acreción que lo rodea», dijo Trump. «La clave es observar la región más interna, donde el gas está cayendo en el horizonte de sucesos del agujero negro. Un agujero negro giratorio arrastra ese material más interno durante el viaje, lo que genera una diferencia observable cuando observamos los detalles de nuestras mediciones».
Para investigar la masa y el giro de un agujero negro se necesitan mediciones espectrales. Los datos obtenidos por el SDSS contienen cambios sutiles en los espectros hacia longitudes de onda de luz más cortas. Ese cambio es una pista importante sobre la velocidad de rotación del agujero negro. «Llamo a este enfoque ‘arqueología de agujeros negros'», dijo Fries, «porque estamos tratando de entender cómo ha crecido la masa de un agujero negro con el tiempo. Al observar la rotación del agujero negro, esencialmente estamos observando su registro fósil».
Lo que nos dicen los agujeros negros
¿Qué nos dice entonces el registro fósil? En primer lugar, desafía la creencia predominante de que los agujeros negros siempre se crean en colisiones de galaxias. En otras palabras, cuando las galaxias se fusionaron, también lo hicieron sus agujeros negros centrales. Cada galaxia aporta una velocidad de rotación y una orientación a la fusión. Las rotaciones podrían anularse entre sí con la misma facilidad con que se suman. Si eso es cierto, entonces los astrónomos deberían haber visto una amplia gama de giros. Algunos agujeros negros deberían tener mucho giro, otros… no tanto.
La gran sorpresa es que muchos agujeros negros parecen girar muy rápidamente. Aún más asombroso, los más distantes parecen girar más rápido que los más cercanos a nosotros (es decir, el universo «cercano»). Es como si giraran más rápido en el universo primitivo y más lentamente en épocas más recientes. «Descubrimos que hace unos 10 mil millones de años, los agujeros negros adquirían su masa principalmente al comer cosas», explicó Fries.
La rápida velocidad de giro inicial implica que la mayoría de los agujeros negros supermasivos (como el de nuestra galaxia, la Vía Láctea) se formaron con el tiempo absorbiendo gas y polvo de una manera muy suave y controlada. En otras palabras, cuanto más comen (en forma de estrellas y gas), más rápida es su velocidad de giro. También resulta que el crecimiento por fusión en realidad ralentiza la velocidad de giro de los agujeros negros supermasivos. Eso podría explicar por qué los que medimos hoy tienen una mezcla de velocidades de giro, en lugar de las velocidades más uniformes de épocas anteriores.
La idea de que los agujeros negros se formen suavemente con el tiempo proporciona una nueva dirección para la investigación de los agujeros negros. Las observaciones del JWST ayudarán a proporcionar más objetivos para estudiar. Estudios como el proyecto SDSS Reverberation Mapping seguirán con mediciones más precisas de los enormes agujeros negros supermasivos que el JWST encuentra continuamente a medida que estudia el universo.
Con información de AA
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