Agujeros negros - Actalización

Novedades acerca de los agujeros negros.

¿Qué se ve cerca de un agujero negro supermasivo?

Con los mejores modelos e instrumentos actuales, los astrónomos se están acercando a las regiones relativamente pequeñas alrededor de los agujeros negros supermasivos.

La impresión de este artista muestra el área que rodea un agujero negro supermasivo, incluyendo su entorno polvoriento, disco de acreción caliente (transferencia de materia de una estrella a la otra)  y  chorros de energía. 

Los agujeros negros supermasivos se ubican en el centro de todas las grandes galaxias. Muchos de estos gigantes están acreciendo materialmente, lo que les da el nombre de núcleos galácticos activos o AGN. A medida que el material cae hacia el agujero negro, crea un disco que brilla intensamente e incluso puede generar grandes explosiones y chorros. Comparado con una galaxia de cientos de miles de años luz de diámetro, el disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo y la estructura polvorienta que lo rodea son extremadamente pequeños, del orden de solo decenas de años luz de diámetro. Pero dos estudios recientes finalmente nos están dando una mirada de cerca que necesitamos probar nuestros modelos actuales de crecimiento y evolución de agujeros negros supermasivos.

En la figura se muestra el material polvoriento (amarillo anaranjado) de un supermasivo agujero negro que rodea el disco de acreción (azul-verde). ALMA (ESO / NAOJ / NRAO).

Una rosquilla giratoria

Los astrónomos usan el "modelo unificado" de AGN para describir la estructura alrededor de un agujero negro en proceso de “alimentación”. Se cree que esta estructura y su orientación afectan lo que vemos, por lo que no todos los AGN tienen el mismo aspecto. Parte de esta estructura es un torbellino polvoriento, en forma de rosquilla, de material (gas y polvo) alrededor del agujero negro, que cubre una parte o la totalidad de la vista, dependiendo de su orientación.

Ahora, usando la resolución proporcionada por Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA- asociación internacional entre Europa, Norteamérica y Asia del Este, en colaboración con la República de Chile, es el mayor proyecto astronómico del mundo), los astrónomos claramente han fotografiado por primera vez la rotación de un torbellino polvoriento alrededor de un agujero negro supermasivo. Su objetivo era el centro de la galaxia espiral M77(NGC 1068), que se encuentra a 47 millones de años luz de distancia en la constelación Cetus. Al usar ALMA, pudieron identificar la emisión de moléculas de cianuro de hidrógeno (HCN) y iones de formilo (HCO +) asociadas con el gas y el polvo en el centro de la galaxia alrededor del agujero negro, enfocándose en una "rosquilla" de material rotativo denso alrededor del objeto central. El trabajo fue publicado el 1 de febrero en Astrophysical Journal Letters .

"Para interpretar varias características observacionales de los AGN, los astrónomos han asumido estructuras giratorias tipo buñuelo de gas polvoriento alrededor de agujeros negros supermasivos activos", dijo Masatoshi Imanishi del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, y autor principal del artículo, en un comunicado de prensa . "Sin embargo, el polvoriento donut gaseoso es muy pequeño en apariencia. Con la alta resolución de ALMA, ahora podemos ver directamente su estructura ".

Izquierda: datos de ALMA que muestran la emisión de moléculas e iones en una región en forma de herradura de unos 700 años luz de diámetro alrededor del agujero negro supermasivo central. Derecha: Movimiento medido con Doppler la bola se ha desplazado 20 años luz alrededor del agujero negro; el rojo muestra el movimiento alejándose de la Tierra, el azul muestra el movimiento hacia la Tierra.

ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Imanishi et al.

Ese donut se encuentra dentro de un medio anillo filamentoso de 700 años luz de ancho. La bola se extiende a solo 20 años luz, una región del espacio extremadamente pequeña en comparación con la galaxia más grande M77. Utilizando ALMA, el equipo pudo mostrar el desplazamiento Doppler del material en la rosquilla, con algo de material que se aleja de la Tierra y algunos se mueven hacia él, un claro signo de rotación.

Pero ese signo claro también conlleva complejidades adicionales. La bola está girando como se esperaba, pero parece asimétrico y parte de esa rotación también está asociada con el movimiento aleatorio. El equipo cree que esto podría ser un signo de interrupción, como una fusión anterior con otra galaxia más pequeña. Se necesita más trabajo para determinar la historia de la galaxia y su AGN, pero esta primera imagen de la bola giratoria es un importante paso adelante en el estudio de las galaxias y sus agujeros negros supermasivos.

Un diagrama que muestra un agujero negro (centro) rodeado por un disco de acreción de material (naranja) y chorros de emisión (azul-blanco) de material. Al medir el campo magnético de los chorros (líneas curvas), los astrónomos pueden usar un nuevo modelo para vincular esta cantidad con la rotación perdida por el agujero negro, que puede alimentar los chorros. Oficina de prensa MIPT.

Transmitir energía

Muchos AGN - y sus contrapartes más pequeñas, de masa estelar - se asocian con chorros de material arrojados a lo largo de sus ejes de rotación. El mecanismo detrás del lanzamiento de estos jets, e incluso el material que compone los jets, aún no se conoce bien. Pero un nuevo modelo basado en mediciones del campo magnético asociado con estos chorros ofrece una posible percepción de la cantidad de energía de rotación que pierde el agujero negro cuando dispara estos haces al espacio.

El modelo, desarrollado por astrofísicos en el Laboratorio de Investigación Fundamental y Aplicada de Objetos Relativistas del Universo del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, conecta la energía que entra en estos extremadamente poderosos chorros con la rotación del agujero negro y proporciona a los astrónomos una característica mensurable para probar esta idea. El trabajo, escrito por Elena Nokhrina, apareció el 22 de diciembre de 2017 en Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

Se cree que los agujeros negros giran, tal como lo hacen las estrellas y los planetas. A medida que el material fluye hacia ellos desde su disco de acreción, absorben el momento angular y giran más rápido. Este efecto también se observa en estrellas jóvenes, que están rodeadas por discos de acreción similares de material. Pero las estrellas nacientes a menudo giran demasiado despacio por la cantidad de momento angular que deberían absorber, eso se debe a que el ímpetu va a los chorros de estas estrellas. El mismo proceso podría estar trabajando alrededor de los agujeros negros.

El Telescopio Espacial Hubble ha detectado chorros que emanan de numerosas estrellas jóvenes que se forman. Es probable que el mismo mecanismo que alimenta los jets en estos sistemas funcione a mayor escala alrededor de los agujeros negros.

Arriba a la izquierda: C. Burrows (STScI y ESA), el equipo de definición de investigación de WFPC 2 y la NASA; 

Arriba a la derecha: J. Hester (Universidad Estatal de Arizona), el Equipo de Definición de Investigación WFPC 2 y la NASA; Abajo: J. Morse / STScI, y NASA.

Pero para confirmarlo, los astrónomos necesitarían medir la cantidad de energía rotacional que pierde el agujero negro, lo que es difícil. Del mismo modo, la medición de la cantidad de "flujo" magnético del material del disco de acreción que pasa sobre el horizonte del evento daría una estimación de la pérdida de energía rotacional, pero esto también es difícil de medir. Ahora, el nuevo modelo de Nokhrina -y otros modelos recientes y más avanzados de chorros de agujeros negros- sugiere un proxy: mide el campo magnético de los chorros, que luego puede vincularse a la cantidad de energía de rotación necesaria para alimentarlos.

El campo magnético de los jets puede medirse, y "debido a que se conserva el flujo magnético, al medir su magnitud en el chorro, también aprendemos el flujo magnético cerca del agujero negro", dijo Nokhrina en un comunicado de prensa. Su trabajo ahora permite a los astrónomos conectar el campo magnético de los chorros a la rotación perdida por el agujero negro, y probar experimentalmente si nuestra comprensión de cómo se comportan los agujeros negros y los discos y chorros a su alrededor es correcta, o aún necesita un mayor refinamiento.

Todo esto llega solo meses antes del esperado lanzamiento de los resultados del Event Horizon Telescope , una red mundial de instalaciones que en abril de 2017 pasó una semana y media recopilando datos sobre el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, así como el enorme agujero negro en la galaxia elíptica M87. Pronto podremos tener la primera imagen no solo la bola alrededor de un agujero negro supermasivo, sino también del borde del horizonte de eventos del agujero negro. Ciertamente es un momento emocionante para ser astrofísico.

Una estrella que se comporta de manera extraña revela que un agujero negro se esconde en un cúmulo globular.

Por cierto, también es el primer agujero negro de masa estelar encontrado en su atracción gravitatoria.

Usando el instrumento MUSE de ESO en el Very Large Telescope en Chile, los astrónomos descubrieron una estrella que rodea el corazón del cúmulo globular NGC 3201. Al analizar la estrella, los investigadores se dieron cuenta de que un agujero negro de masa estelar inactivo acecha en el cúmulo ( se muestra aquí en este concepto de artista). Este es el primer agujero negro de masa estelar jamás descubierto en un cúmulo globular. ESO / L. Calçada / spaceengine.org

La palabra glóbulo no es el término más atractivo. Tal vez esta es la razón por la cual los cúmulos globulares no reciben tanta presión como se merecen. Estas densas colecciones de estrellas antiguas que suman decenas de miles son el hogar de algunas de las estrellas más antiguas del universo. Si las nebulosas son los viveros estelares del cosmos, los cúmulos globulares son los asilos estelares. Pero así como las nebulosas pueden enseñarnos cómo se forman las estrellas jóvenes, los cúmulos globulares pueden enseñarnos cómo evolucionan las viejas estrellas y envejecen, lo que de vez en cuando termina con una estrella masiva y antigua que se colapsa en un agujero negro.

En un estudio publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, los astrónomos anunciaron el descubrimiento de uno de esos agujeros negros en el cúmulo globular NGC 3201. Al observar el comportamiento orbital excepcionalmente extraño de una estrella específica en el cúmulo, los investigadores pudieron concluir que un agujero negro acecha en el núcleo de NGC 3201. , ubicado a unos 16,000 años luz de distancia. El descubrimiento del agujero negro, que no se alimenta de material cercano y, por lo tanto, es invisible para las observaciones directas, es la primera detección de un agujero negro de masa estelar realizado puramente al medir su influencia gravitatoria en otras estrellas.

"[La estrella] estaba orbitando algo que era completamente invisible, que tenía una masa de más de cuatro veces el Sol", dijo Benjamin Giesers, un astrofísico de la Universidad de Göttingen y autor principal del estudio, en un comunicado de prensa.. "¡Esto solo podría ser un agujero negro! El primero encontrado en un cúmulo globular al observar directamente su atracción gravitacional. "

Como parte de un gran estudio de cúmulos globulares orbitando la Vía Láctea, un equipo internacional de astrónomos utilizó el instrumento Exploración Espectroscópica Multi Unidad (MUSE) de ESO en el Very Large Telescopio en Chile para buscar binarios estelares: pares de estrellas que se orbitan entre sí. Además de analizar la luz de estrellas individuales, MUSE mide sus velocidades radiales, o movimientos relativos de ida y vuelta. Entre la plétora de mediciones de velocidad radial tomadas para la encuesta de cúmulos globulares, los investigadores encontraron una estrella extraña.

Notaron que esta estrella en particular estaba siendo lanzada hacia atrás y adelante tan rápidamente (más de 200,000 millas por hora) que debe estar orbitando alrededor de un agujero negro invisible al menos cuatro veces más masivo que el Sol. Aunque los investigadores reconocen la posibilidad de que la estrella se mueva rápidamente dentro de un sistema estelar triple que contenga dos estrellas de neutrones excepcionalmente grandes y fuertemente unidas, "dado que tal sistema no se observó hasta la fecha y la masa real de los descubiertos" el objeto es probablemente más alto, un escenario de agujero negro es más probable ".

Esta imagen del Telescopio Espacial Hubble muestra el corazón del cúmulo globular NGC 3201, ubicado a 16,000 años luz de distancia en la constelación sureña Vela (Las Velas). En el cúmulo, los investigadores notaron recientemente una estrella de comportamiento extraño (círculo azul) que se movía de un lado a otro inesperadamente rápido, lo que indica que está orbitando un agujero negro con más de cuatro veces la masa del sol. ESA / NASA.

Una de las cosas que diferencia a NGC 3201 de otros cúmulos globulares es que su núcleo es relativamente grande. Según el estudio, "como la presencia de agujeros negros puede conducir a una expansión del radio central a través de interacciones entre agujeros negros y estrellas, el descubrimiento del agujero negro presentado podría ser una indicación de que NGC 3201 posee un extenso sistema de agujeros negros en su núcleo. "

Debido a que los cúmulos globulares contienen las estrellas más grandes y antiguas del universo, deberían ser lugares de reunión principales para los agujeros negros de masa estelar, que se forman cuando las estrellas masivas mueren y colapsan por su propia gravedad. Sin embargo, las teorías recientes sugieren que, si bien los agujeros negros probablemente se forman en cúmulos globulares, deberían ser expulsados rápidamente a través de las interacciones dentro del núcleo del cúmulo.

"Hasta hace poco, se suponía que casi todos los agujeros negros desaparecerían de los cúmulos globulares después de un corto tiempo y ¡que sistemas como este ni siquiera deberían existir! Pero claramente este no es el caso ", dijo Giesers. "Nuestro descubrimiento es la primera detección directa de los efectos gravitacionales de un agujero negro de masa estelar en un cúmulo globular. Este hallazgo ayuda a comprender la formación de cúmulos globulares y la evolución de los agujeros negros y los sistemas binarios, algo vital en el contexto de la comprensión de las fuentes de ondas gravitacionales ".

El "dobler eructo" de un agujero negro muestra su comportamiento a lo largo del tiempo.

Los agujeros negros tienen malos modales en la mesa, pero al menos descansan entre comidas.

La galaxia SDSS J1354 + 1327 (justo debajo del centro de la imagen) alberga un agujero negro supermasivo que ha dejado escapar dos "eructos" en los últimos 100.000 años. El eructo más antiguo se puede ver en la parte inferior izquierda de la galaxia como un brillo difuso azul verdoso. El eructo más reciente aparece como un brillante arco azul-blanco en la parte superior izquierda del centro de la galaxia. Su galaxia compañera, SDSS J1354 + 1328, se encuentra justo encima del centro de la imagen. NASA, ESA y J. Comerford (Universidad de Colorado-Boulder).

Los agujeros negros supermasivos residen en el centro de la mayoría, si no de todas, las galaxias masivas (y posiblemente de baja masa). Varían en tamaño desde millones hasta miles de millones de masas solares, y pueden comer vorazmente o no comer en absoluto, dependiendo de su entorno. Pero una cosa está clara: los agujeros negros no tienen muy buenos modales en la mesa, como confirmó un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Colorado Boulder la semana pasada en la 231 Reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Washington, DC.

El equipo atrapó un agujero negro supermasivo en la galaxia SDSS J1354 + 1327 (o J1354, para abreviar) con un historial de "picoteo" de material en su vecindad, y luego dejó escapar "eructos" de energía como resultado. Entre las comidas, el agujero negro está relativamente inactivo. Ese período de latencia duró unos 100.000 años, que es un parpadeo en las escalas de tiempo cosmológicas, pero ciertamente no para los humanos. El trabajo, presentado en la reunión de Washington, DC por Julie Comerford de la Universidad de Colorado y publicado el 6 de noviembre en The Astrophysical Journal , identifica dos eructos separados, o eventos de salida: un antiguo eructo a punto de disiparse y una insinuación a un comida mucho más reciente. Es la primera vez que se identifican dos eventos separados para una sola galaxia.

Dos eventos separados

J1354 es una galaxia identificada en el Sloan Digital Sky Survey; se encuentra a unos 800 millones de años luz de distancia. Los astrónomos obtuvieron imágenes de J1354 en rayos X y luz óptica usando el Observatorio de rayos X Chandra, el Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio WM Keck y el Observatorio Apache Point. Al combinar los datos de estas diferentes imágenes, detectaron un gran "cono" difuso de gas que se extiende 30,000 años luz por debajo del bulto de la galaxia (donde se encuentra el agujero negro supermasivo). Este gas está ionizado, es decir, sus átomos han sido despojados de sus electrones, por una gran ráfaga de radiación del agujero negro supermasivo que ocurrió hace unos 100.000 años.

Centaurus A es una galaxia activa que actualmente "pica" en una comida de gas y polvo. Mientras se come, el agujero negro supermasivo de la galaxia dispara chorros de material altamente energético. ESO / WFI (Optical); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submilimétrico); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Radiografía).

Al norte del agujero negro, los astrónomos vieron una onda de choque que se propagaba a través del gas desde el agujero negro, ya a una distancia de 3.000 años luz del agujero negro. Este eructo proviene de una segunda comida más reciente que el agujero negro consumió. Entre los dos eventos, el agujero negro era probablemente mucho más inactivo, el comportamiento esperado para tales objetos, que, de acuerdo con Comerford, pasa por un ciclo de meriendas, eructos y siestas, luego picoteo y eructos otra vez.

Una pieza adicional del rompecabezas se coloca en su lugar mientras uno aleja las imágenes de J1354: la galaxia está ubicada cerca de una segunda galaxia compañera, que probablemente interactuó con ella en el pasado. La colisión entre las dos galaxias luego canalizó material hacia el agujero negro supermasivo y proporcionó esas comidas grandes que provocaron los eructos. 

  

Eructo de la Vía Láctea

Si crees que este comportamiento de eructos es exclusivo de las galaxias distantes (u otras), piénsalo de nuevo. Se piensa que este comportamiento es común para los agujeros negros, que deben "parpadear" intermitentemente en escalas de tiempo de 100.000 años muchas veces a lo largo de su existencia. Pero si bien capturar un solo evento no es necesariamente raro, identificar los restos de dos de las comidas pasadas, nunca antes habían sucedido. "Afortunadamente, sucedió que observamos esta galaxia en un momento en que podíamos ver claramente la evidencia de ambos eventos", dijo Comerford en un comunicado de prensa .

Las Fermi Bubbles de la Vía Láctea son el resultado de un eructo pasado que dejó escapar nuestro agujero negro supermasivo hace millones de años. Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.

El agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, ahora en su fase de "siesta", también ha pasado por este ciclo. Su eructo más reciente todavía se puede ver hoy en día como dos burbujas de gas que se extienden por encima y por debajo del plano galáctico, llamadas burbujas de Fermi . Estas burbujas fueron descubiertas en 2015 por el Telescopio de Rayos Gamma Fermi de la NASA, y son restos de una comida que nuestro agujero negro consumió hace entre 6 y 9 millones de años.

En este momento, tanto J1354 como el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea experimentan lo que Comerford llama un "coma de comida galáctico". Pero eso puede cambiar: "El agujero negro supermasivo de nuestra galaxia ahora está durmiendo después de una gran comida, como el agujero negro de J1354 el pasado. Así que también esperamos que nuestro enorme agujero negro se divierta de nuevo, como lo hizo J1354 ", dijo Scott Barrows de CU.

Fuente

Astronomy Magazine/Alison Klesman/Jake Parks

ALMA (ESO / NAOJ / NRAO).

Oficina de prensa MIPT

ESO / L. Calçada / spaceengine.org

NASA, ESA y J. Comerford (Universidad de Colorado-Boulder).

ESO / WFI (Optical); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submilimétrico); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Radiografía).

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.