Las ondas gravitacionales destronan el agujero negro supermasivo

Los astrónomos han descubierto un agujero negro supermasivo que no se encuentra en su asiento habitual en el centro de su galaxia. Las ondas gravitacionales de una fusión reciente pueden haber expulsado el agujero negro.

El brillante quasar 3C 186 con forma de estrella y su antigua galaxia anfitriona, el objeto débil y extendido detrás de él, se sientan en el centro de un cúmulo de galaxias. El quásar probablemente fue expulsado después de una fusión de galaxias hace mucho tiempo.
NASA / ESA / M. Chiaberge (STScI / ESA)

Hace mil millones de años en un universo lejano, dos galaxias colisionaron. Las estrellas se arremolinaban en nuevas órbitas y las nubes de gas chocaban entre sí. Nacieron nuevas estrellas y el gas se canalizó hacia las dos galaxias centros, alimentando los dos agujeros negros supermasivos que acechan allí.

Luego, hace unos 5 millones de años, estos agujeros negros se fusionaron en uno. Mientras giraban alrededor del otro, irradiaban energía en forma de ondas gravitacionales, una señal de que un detector basado en el espacio como LISA algún día podría detectar y esas ondas le dieron al producto final una verdadera patada en los pantalones . El agujero negro supermasivo fusionado, un objeto con una masa de aproximadamente 3 mil millones de veces el Sol, se alejó del nuevo centro de la galaxia a millones de millas por hora.

Esta es la imagen que Marco Chiaberge (Space Telescope Science Institute y la Universidad John Hopkins) y sus colegas han pintado para explicar las observaciones únicas del cuásar conocido como 3C 186. Los resultados se presentaron en la Astronomía y Astrofísica de abril de 2017.

La evidencia

El quásar en sí es un brillante faro de luz emitido por el gas que se desploma en el agujero negro central. Ahora, las nuevas imágenes del telescopio espacial Hubble revelan por primera vez la galaxia que alberga este punto de luz. Y, sorprendentemente, las imágenes muestran que el cuásar está desplazado del centro de la galaxia en aproximadamente 1.3 segundos de arco.

Es un ángulo pequeño en el cielo, equivalente al ancho de un cabello humano a 10 metros de distancia. Pero en una galaxia tan lejana que su luz debe viajar 8 mil millones de años para llegar aquí, 1.3 segundos de arco se traducen en una distancia de 35, 000 años luz. A modo de comparación, el Sol se encuentra a solo 26, 000 años luz del centro de nuestra galaxia.

El equipo también analizó cuidadosamente el espectro de luz visible del quásar, revelando la firma química del gas que sale de la galaxia anfitriona. (Anteriormente, los análisis automatizados del espectro habían perdido la firma). La firma es la de un agujero negro y su bufé de gas circundante que vuela lejos del centro de la galaxia a 2, 140 kilómetros por segundo (4.8 millones de mph). El agujero negro brillará mientras mantenga su disco de gas, probablemente otros 100 millones de años más o menos según los cálculos de los investigadores.

Juntos, la increíble velocidad del cuásar y su desplazamiento desde el centro de la galaxia apuntan a una posible conclusión: este agujero negro es el producto de dos agujeros negros desiguales, cuya fusión desigual emitió ondas gravitacionales asimétricas y finalmente expulsó el agujero negro de su hogar galáctico central. . Este no es el primer candidato descubierto, pero es el primero en tener dos firmas de retroceso de ondas gravitacionales: los candidatos anteriores han mostrado un desplazamiento espacial o una velocidad increíble, pero no ambos.

A medida que dos galaxias interactúan y se fusionan, sus agujeros negros centrales se atraen gravitacionalmente entre sí (primer panel). Cuando los dos agujeros negros se acercan lo suficiente, envían ondas gravitacionales, reduciendo su órbita con el tiempo (panel 2). Finalmente, se fusionan (panel 3). Dado que los agujeros negros eran inicialmente masas diferentes, y sus ondas gravitacionales correspondientemente ladeadas, la fusión le dará al nuevo agujero negro más masivo una patada firme fuera de la galaxia.
NASA / ESA / Hubble / A. Feild / STScI

"3C 186 es un candidato emocionante para un agujero negro supermasivo de retroceso de onda gravitacional, que ha resultado muy difícil de encontrar", dice Julie Comerford (Universidad de Colorado, Boulder), que no participó en el estudio.

Pero, como lo señalan tanto el equipo de Chiaberge como Comerford, este candidato aún no es un asaltante. Existe la posibilidad, por ejemplo, de que el cuásar se encuentre en una segunda galaxia menos luminosa que se encuentra en el fondo de la galaxia que Hubble fotografió. Por lo tanto, Chiaberge y sus colegas ya están planeando observaciones de seguimiento con Hubble en combinación con la matriz Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) en Chile para descartar posibilidades alternativas.

El problema final de Parsec

El concepto de un artista muestra dos agujeros negros fusionados. Emiten ondas gravitacionales a medida que giran en sus órbitas, y eso gradualmente los acerca más. Pero aquí está la parte difícil: si dos agujeros negros están demasiado separados, no irradiarán suficiente energía; algo debe acercarlos lo suficiente como para que las ondas gravitacionales hagan el trabajo.
NASA

Los astrónomos están bastante seguros de que los agujeros negros se fusionan de forma regular; de lo contrario, es muy difícil explicar cómo vemos agujeros negros de mil millones de masas solares solo mil millones de años después del Big Bang. Los astrónomos también saben que las colisiones de galaxias pueden entregar dos agujeros negros supermasivos muy cerca uno del otro. Y han calculado que las ondas gravitacionales pueden irradiar suficiente energía para producir la unión final.

Pero las galaxias no entregan sus agujeros negros centrales lo suficientemente cerca como para que las ondas gravitacionales hagan el resto del trabajo. Debe haber algo que acerque los agujeros negros al año luz o tres para completar el proceso de fusión. Este enigma se conoce como el problema final de Parsec. Si 3C 186 es realmente el producto final de dos agujeros negros supermasivos, podría servir como el banco de pruebas perfecto para saber cómo ocurren tales fusiones.

"Las observaciones proporcionan una fuerte evidencia de que los agujeros negros supermasivos en realidad pueden fusionarse", dice el coautor del estudio Stefano Bianchi (Universidad de Roma Tre, Italia).

Ahora los astrónomos solo tienen que descubrir cómo.