Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el «ojo de su propia tormenta», según estudios

Gigantescos agujeros negros acechan en el centro de prácticamente todas las galaxias, incluida la nuestra, pero carecíamos de una imagen precisa de su impacto en su entorno. Sin embargo, un grupo de científicos liderado por la Universidad de Chicago ha utilizado datos de un satélite lanzado recientemente para revelar la visión más clara hasta la fecha del gas hirviente que rodea dos agujeros negros supermasivos, cada uno ubicado en el centro de enormes cúmulos de galaxias.

«Por primera vez, podemos medir directamente la energía cinética del gas agitado por el agujero negro», afirmó Annie Heinrich, estudiante de posgrado de la UChicago y una de las autoras principales de uno de los dos artículos sobre los hallazgos, publicados en Nature. «Es como si cada agujero negro supermasivo se encontrara en el ‘ojo de su propia tormenta'».

Las lecturas provinieron del satélite XRISM, lanzado en 2023 por la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial en colaboración con la NASA y la Agencia Espacial Europea. Posee una capacidad única para rastrear los movimientos y leer la composición química del gas extremadamente caliente, emisor de rayos X, en los cúmulos de galaxias.

«XRISM nos permite distinguir inequívocamente los movimientos de gas impulsados ​​por el agujero negro de aquellos impulsados ​​por otros procesos cósmicos, algo que antes era imposible», afirmó Congyao Zhang, exinvestigador postdoctoral de la Universidad de Chicago, actualmente en la Universidad de Masaryk, quien codirigió el estudio publicado en Nature.

Devoradores desordenados

Los agujeros negros supermasivos fascinan a los científicos en muchos sentidos, pero un aspecto importante es que a menudo son «devoradores desordenados». A medida que las estrellas y el gas son atraídos hacia el horizonte de sucesos del agujero negro, se lanzan corrientes de partículas energéticas a velocidades cercanas a la de la luz. Estas corrientes pueden agitar el gas e inyectar toneladas de energía en el área que rodea al agujero negro. Esta influencia se extiende mucho más allá de las inmediaciones del agujero negro, llegando a cientos de miles de años luz de distancia.

Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que estos agujeros negros desempeñan un papel importante en la formación de galaxias, tanto dentro como fuera de los cúmulos de galaxias, al regular la tasa de formación estelar. El funcionamiento detallado de este proceso aún es incierto, pero es clave para comprender la evolución de las galaxias.

Ya se había observado cierta evidencia de la influencia de los agujeros negros supermasivos en el gas que los rodea en imágenes de rayos X. Sin embargo, estas son solo imágenes estáticas de un proceso dinámico. El nuevo satélite XRISM permite a los astrónomos comprender mejor la influencia del agujero negro midiendo con precisión la energía de los rayos X provenientes del gas caliente.

Cada elemento del gas emite luz con energías específicas, como huellas atómicas, que XRISM detecta. La forma de estas huellas indica a los científicos la velocidad a la que se mueve el gas.

Esto añade una dimensión completamente nueva al panorama.

«Antes de XRISM, era como ver una imagen de la tormenta», dijo Heinrich. «Ahora podemos medir la velocidad del ciclón».

Movimiento turbulento

Uno de los estudios se centró en el Cúmulo de Virgo, el cúmulo de galaxias más cercano a la Tierra y anfitrión del famoso agujero negro supermasivo M87*. La proximidad del cúmulo permite a XRISM ampliar una región relativamente pequeña alrededor del agujero negro. Los datos revelaron la turbulencia más intensa medida hasta la fecha en un cúmulo de galaxias, incluso más rápida que la observada durante la fusión de cúmulos de galaxias, uno de los eventos cósmicos más violentos desde el Big Bang.

«Las velocidades son altas cerca del agujero negro y disminuyen rápidamente a mayor distancia», afirmó Hannah McCall, estudiante de posgrado de la Universidad de Chicago y autora principal del artículo que analiza el cúmulo de Virgo, aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal. «Los movimientos más rápidos probablemente se deban a una combinación de remolinos de turbulencia y una onda de choque de gas saliente, ambos producto del agujero negro».

Los científicos también analizaron el cúmulo de Perseo, el cúmulo de galaxias que brilla con mayor intensidad en el espectro de rayos X desde la Tierra. Su luminosidad permitió a los científicos cartografiar los movimientos del gas tanto inmediatamente alrededor del centro del cúmulo como un poco más lejos. Pudieron ver claramente un claro aumento en las velocidades generadas por el agujero negro, además de los movimientos de gas a gran escala que son impulsados ​​por un evento diferente: Perseo actualmente se está fusionando con una cadena de galaxias.

Esto proporciona pistas sobre una pregunta científica en curso: cómo los agujeros negros supermasivos afectan la cantidad de estrellas que se forman a su alrededor.

Durante años, los astrónomos han observado menos estrellas de las que cabría esperar en los centros de estos grandes cúmulos de galaxias. Una posible explicación es el calor del gas que rodea a los agujeros negros. Según los nuevos datos, si la energía de los movimientos del gas se convierte completamente en calor, según los científicos, sería suficiente para contrarrestar el rápido enfriamiento del gas que impulsa la formación estelar.

«Sigue siendo una incógnita si este es el único proceso de calentamiento en funcionamiento, pero los resultados dejan claro que la turbulencia es un componente necesario del intercambio de energía entre los agujeros negros supermasivos y sus entornos», afirmó McCall.

A medida que XRISM continúa recopilando datos, los científicos esperan arrojar más luz sobre la relación entre los agujeros negros y sus galaxias, incluyendo cómo varía la interacción con el tiempo, con qué violencia el agujero negro inyecta energía en su entorno y cómo esta energía se convierte en calor.

«Basándonos en lo que ya hemos aprendido, estoy segura de que nos estamos acercando a resolver algunos de estos enigmas», dijo Irina Zhuravleva, profesora asociada de astronomía y astrofísica en la Universidad de Chicago y coautora de ambos estudios.

Con información de arXiv