El centro de nuestra galaxia podría
contener miles de agujeros negros.
Un nuevo estudio ha descubierto una docena de agujeros
negros de masa estelar dentro de 3 años luz del agujero negro supermasivo en el
núcleo de nuestra galaxia, y estos podrían ser solo la punta del iceberg.
La representación de este artista muestra el agujero
negro supermasivo de nuestra galaxia rodeado de polvo, gas y 12 agujeros negros
de masa estelar. El recuadro muestra que cada agujero negro está emparejado con
una estrella ordinaria. Un chorrito de gas de la estrella alimenta el agujero
negro a través de un disco de acreción, que emite un brillo de rayos X. Universidad
de Colombia.
Hace tiempo que sabemos que un agujero negro supermasivo
con más de 4 millones de veces la masa del Sol acecha en nuestro centro
galáctico. Ahora, un estudio publicado en Nature Astronomy el 5 de abril
argumenta que el gigante no está solo. Potencialmente, unos 10.000 agujeros
negros de masa estelar podrían estar haciendole compañía. La población de
agujeros negros, si es real, coincidiría con las predicciones teóricas de que
muchas cosas masivas deberían terminar en el centro de nuestra galaxia.
De hecho, el núcleo de la Vía Láctea ya es un lugar
abarrotado: más de 30 magnitudes de polvo y gas bloquean nuestra vista en luz
visible. La única forma de mirar el núcleo envuelto de nuestra galaxia es ir
muy bajo (observaciones de radio) o muy alto (rayos X o rayos gamma). Charles
Hailey (Columbia University) y sus colegas decidieron ir a lo más alto,
basando sus resultados en observaciones de 12 días que el Observatorio de rayos X Chandra
recolectó en los últimos 12 años.
El equipo analizó 92 fuentes que permanecen sin resolver en
longitudes de onda de rayos X, por lo que se ven como puntos de luz; 26 de
estos se encuentran a 3 años luz del agujero negro supermasivo. Para cada una
de estas fuentes, Chandra capturó al menos 100 fotones durante los 12 días de
observaciones. (Si eso no parece mucho, es porque no lo es, ¡estas son fuentes
muy débiles!)
Luego, los astrónomos observaron cuánta radiación emiten
estas fuentes a diferentes energías: es un poco como poner luz a través de un
prisma para ver un arcoiris, pero el arcoíris en este caso está en longitudes
de onda de rayos X. Y, sorprendentemente, los astrónomos encontraron que 12 de
las 26 fuentes más cercanas al agujero negro supermasivo tienden a tener arco
iris de rayos X "más azules", es decir, son relativamente más
brillantes a energías de rayos X más altas.
La mayoría de los emisores de rayos X en el centro de
nuestra galaxia son enanas blancas que extraen el gas de compañeros estelares
comunes, irradiando arco iris de rayos X "más rojizos" en el proceso
(con más energía emitida a energías de rayos X más bajas). Pero las nuevas
fuentes de rayos X "azules" parecen ser binarias con algo más masivo
-tanto las estrellas de neutrones como los agujeros negros- que se hace visible
por el goteo del gas que emite rayos X que las alimenta.
Una imagen de rayos X de Chandra del centro galáctico
está superpuesta con círculos alrededor de fuentes de rayos X no resueltas. Los
círculos rojos indican binarios enanos blancos, que normalmente emiten más
rayos X de baja energía, mientras que los círculos cian indican posibles
binarios de agujeros negros, que emiten relativamente más rayos X de alta
energía. El círculo amarillo y verde representa una región entre 0,7 y 3 años
luz del agujero negro. C. Hailey et al. / Naturaleza.
Hailey y sus colegas sostienen que las fuentes no exhiben
los estallidos característicos de los binarios de las estrellas de neutrones,
por lo que es más probable que sean agujeros negros. El monitoreo a largo plazo
del centro galáctico ha encontrado casi todos los binarios de estrellas de
neutrones por sus arrebatos, así que deben ser los binarios de agujero negro
los que permanecen, orbitando silenciosamente a sus compañeros estelares y
alimentándose del suficiente gas que emiten rayos X que podamos (apenas) los
veo.
Si ese es el caso, entonces estos agujeros negros
binarios serían la punta de un iceberg. Podrían existir muchos más agujeros
negros aislados en el centro galáctico, y no los veríamos en absoluto. Cuántos
dependen de cómo se originaron estos agujeros negros, una cuestión muy
debatida. Si se formaron justo donde están, entonces podría haber 10.000, ¡tal
vez incluso más! - agujeros negros en el núcleo de la galaxia.
Lo que quizás sea más sorprendente es que estas fuentes
de rayos X no son nuevas; todos están en el catálogo de fuentes descubiertas
por Chandra. "En cierto sentido, los binarios del agujero negro se
escondían a simple vista", dice Hailey, "pero eliminar las fuentes
más prosaicas y lidiar con el fondo de emisión de rayos X requiere mucho tiempo
y energía, y las perspectivas de éxito no estaban claros . Era un misterio tan
convincente que era demasiado tentador para nosotros resistir ".
¿Tal vez menos?
Pero, y este es un gran pero, podría ser que no todas
estas fuentes son agujeros negros. Además, es posible que no se hayan formado
en sus órbitas actuales. Los astrónomos han estado buscando estrellas de
neutrones de rotación rápida conocidas como púlsares de milisegundos en el
centro galáctico, que se cree que fueron capturados de cúmulos de estrellas globulares
que pasan por el centro galáctico.
Una de las razones por las que encontrar estos púlsares
es tan importante es que podrían ser los culpables de la cantidad extrañamente
grande de rayos gamma que el telescopio Fermi ha observado irradiando desde el
centro galáctico. Mientras que algunos astrónomos han sugerido que la señal
podría ser la firma largamente esperada de partículas de materia oscura, los
púlsares de milisegundos presentan una opción menos exótica (léase: más
aceptada).
"Esa potencial detección de materia oscura ha
llevado a la gente a realizar búsquedas de púlsares en milisegundos realmente
ambiciosas", dice Daryl Haggard (Universidad McGill). "Pero no han
dado nada hasta ahora." No está claro si eso se debe a que no están allí,
o simplemente son difíciles de encontrar: sondear el centro galáctico en
longitudes de onda de radio es como buscar minnows en un entorno turbulento y
turbio río; remolinos de plasma a menudo oscurecen la vista.
Hailey y su equipo reconocen que hasta la mitad de sus
fuentes de rayos X nuevos y azules podrían ser los púlsares de milisegundo
buscados. Eso significaría que habría menos agujeros negros aislados, tal vez
solo varios cientos en lugar de miles. Aún así, eso sigue siendo un montón de
remanentes estelares masivos que se esconden en el centro de nuestra galaxia.
"En cualquier caso, sigue siendo interesante",
dice Haggard, y agrega que los estudios de radio futuros podrían ayudar a
distinguir entre los agujeros negros y las estrellas de neutrones. Entonces
podemos comenzar a abordar la cuestión de cómo llegaron estos objetos en primer
lugar.
En caso de que se pregunte: No,
estos agujeros negros no son la materia oscura que hemos estado buscando. La
cantidad de materia oscura en el núcleo de la galaxia sería bastante pequeña,
la mayor parte se extiende más allá del disco en forma de espiral de la Vía
Láctea. Además, dado que los agujeros negros solían ser estrellas, en algún
momento habrían estado formados por partículas bariónicas normales, y tenemos
buena evidencia de que la materia oscura, sea lo que sea, no es bariónica (Los bariones son una familia de partículas subatómicas
formadas por tres quarks)
En física de partículas, los cuarks o quarks son
los fermiones elementales masivos que interactúan fuertemente formando la
materia nuclear y ciertos tipos de partículas llamadas hadrones.
Un neutrón, compuesto por dos quark abajo (d) y un quark
arriba (u). (El color asignado a cada cuark no es importante, sólo lo es el que
estén presentes los tres colores.)
Ejemplo de partículas subatómicas: Esquema para un átomo de helio, mostrando dos protones (en rojo), dos neutrones (en verde) y dos electrones (en amarillo).
Los astrónomos se acercan a los chorros de un agujero
negro supermasivo.
Un telescopio más grande que nuestro planeta revela
detalles diminutos en el centro de una galaxia cercana.
Agujeros negros supermasivos de millones a miles de
millones de veces la masa de nuestro Sol acecha en el centro de la mayoría de
las galaxias. Además de alimentarse de gas y polvo cercanos, algunos de estos
agujeros negros lanzan enormes chorros de plasma que no solo eclipsan al
agujero negro en sí, sino a toda la galaxia en la que residen. La mecánica de
estos chorros de plasma, incluso el lugar exacto en el que se lanzaron, aún no
se comprende bien, pero las observaciones como las que se lograron
recientemente con una combinación de radiotelescopios terrestres y espaciales
ayudarán a descubrir los misterios que rodean estas estructuras dramáticas.
En un artículo publicado el 2 de abril en Nature
Astronomy, una colaboración internacional de astrónomos publicó observaciones
de los chorros alrededor del agujero negro en la galaxia NGC 1275, ubicada
en el cúmulo de Galaxias en Perseus a unos 230 millones de años luz
de distancia. También conocida como Perseus A o 3C 84, esta galaxia se
clasifica como una galaxia de Seyfert, lo que significa que tiene un agujero negro
"activo" que actualmente se alimenta de material circundante. Ese
agujero negro está en las primeras etapas de la generación de chorros de plasma
masivos, que ahora se han trazado a través de observaciones de radio a solo 12
días luz desde su origen alrededor del agujero negro. Eso es solo unos pocos
cientos de veces el radio del propio agujero negro (1 día luz es
aproximadamente 16 mil millones de millas [26 mil millones de kilómetros]).
Esta imagen muestra cómo los radiotelescopios en la
Tierra y en el espacio (izquierda) se combinaron para observar una región muy
pequeña alrededor del agujero negro supermasivo de otra galaxia (derecha). En
esta imagen de radio, el agujero negro está ubicado en la brillante mancha amarilla-verde
en la parte superior; un joven chorro de plasma de unos 3 años luz de largo
dispara desde el agujero negro. Pier Raffaele Platania INAF / IRA
(compilación); Instituto ASC Lebedev (imagen de RadioAstron).
Lo que encontraron los sorprendió. "Resultó que el
ancho observado del chorro era significativamente más amplio de lo que se
esperaba en los modelos actualmente favoritos donde se lanza desde la ergosfera
del agujero negro - un área del espacio justo al lado de un agujero negro donde
el propio espacio es arrastrado a un movimiento circular alrededor del agujero
", dijo el autor principal del artículo, Gabriele Giovannini, del
Instituto Nacional Italiano de Astrofísica.
Estas imágenes aprovecharon una técnica llamada
interferometría basal muy larga, o VLBI. Esta técnica vincula varios
radiotelescopios para observar esencialmente con un plato "virtual"
tan grande como la distancia entre los telescopios. En este caso, el equipo
vinculó los radiotelescopios basados en la Tierra con un radiotelescopio ruso
de 10 metros (33 pies) orbitando la Tierra como parte del proyecto RadioAstron,
creando un radiotelescopio virtual con un diámetro de más de 200,000 millas (350,000
km). casi la distancia entre la Tierra y la Luna. Cuanto más grande es el
radiotelescopio, más fino es el detalle que puede ver, lo que permitió a los
astrónomos acercarse a la región alrededor del agujero negro de NGC 1275 para
buscar pistas sobre cómo y dónde se genera el chorro.
Sus imágenes resultantes son 10 veces mejores que
cualquier otra cosa que se haya logrado utilizando únicamente radiotelescopios
terrestres. Esta misma técnica es la utilizada por el Event Horizon Telescope
el año pasado en un intento de obtener imágenes de la sombra de un agujero
negro supermasivo en su disco de acreción; los astrónomos esperan ansiosamente
los resultados, que deberían anunciarse más adelante este año.
La galaxia NGC 1275 contiene el agujero negro alrededor
del cual se obtuvieron imágenes de los chorros de plasma en este estudio. Esta
imagen compuesta muestra detalles de observaciones ópticas, de radio y de rayos
X. Los lóbulos de rayos X purpúreos cerca de la parte más brillante de la
galaxia contienen los chorros de radio jóvenes del agujero negro.
NASA, ESA, NRAO y L. Frattare (STScI). Crédito de la
ciencia: rayos X: NASA / CXC / IoA / A.Fabian et al.; Radio: NRAO / VLA / G.
Taylor; Óptica: NASA, ESA, el Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble
Collaboration, y A. Fabian (Instituto de Astronomía, Universidad de Cambridge,
Reino Unido)
Esta es solo la segunda observación de chorros en una
proximidad tan cercana al agujero negro; el único otro sistema que se ha
observado con este nivel de detalle es M87. Pero los jets en M87 son mucho
más antiguos, lo que, según los investigadores, puede ser el motivo por el que
se ven diferentes a los de NGC 1275. "El jet en NGC 1275 se reinició hace
más de una década y actualmente se está formando, lo que brinda una oportunidad
única para seguir el un crecimiento muy temprano de un jet de agujero negro
", dijo Masanori Nakamura de la Academia Sínica en Taiwán, coautor del
artículo. "Continuar con estas observaciones será muy importante".
Fuente
Monica Young/S&T
Alison Klesman/S&T
Universidad de Colombia
C. Hailey et al. /Nature
Astronomy
NASA, ESA,
NRAO y L. Frattare (STScI). Crédito de la ciencia: rayos X: NASA / CXC / IoA /
A.Fabian et al.; Radio: NRAO / VLA / G. Taylor; Óptica: NASA, ESA, el Hubble
Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration, y A. Fabian (Instituto de
Astronomía, Universidad de Cambridge, Reino Unido)
Fuente
Monica Young/S&T
Universidad de Colombia
C. Hailey et al. /Nature
Astronomy
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