La fusión de galaxias alimenta los mega agujeros negros

Esta simulación muestra una fusión entre 2 galaxias. En las últimas etapas de la fusión, los núcleos o porciones centrales de las galaxias se vuelven muy luminosos debido a la emisión de gas que cae rápidamente sobre sus agujeros negros supermasivos centrales. Lea más sobre este video aquí.

Tanto la NASA como la Universidad de Florida informaron este mes sobre una nueva investigación realizada por un equipo de investigadores que acaba de completar la encuesta más grande hasta la fecha de los núcleos de galaxias cercanas en luz infrarroja cercana. El equipo usó más de 20 años de imágenes de alta resolución del vasto archivo del Telescopio Espacial Hubble, y usaron imágenes del Observatorio WM Keck en Hawai. Mirando en el infrarrojo, déjelos mirar a través del gas y el polvo que rodea los núcleos de las galaxias. Buscaban específicamente galaxias fusionadas, lugares donde pares cercanos de agujeros negros supermasivos se unían en mega agujeros negros. Y no estaban decepcionados. Michael Koss de Eureka Scientific Inc. en Kirkland, Washington, quien dirigió el equipo, comentó en un comunicado:

Ver los pares de núcleos de galaxias [o núcleos] fusionados asociados con estos enormes agujeros negros, tan juntos, fue bastante sorprendente.

La distancia promedio de las galaxias encuestadas fue de 330 millones de años luz de la Tierra. Pero los resultados de la encuesta ofrecen una idea de lo que probablemente sucederá más cerca de casa, unos 4.500 millones de años a partir de ahora, cuando nuestra galaxia, la Vía Láctea, se combine con la vecina galaxia de Andrómeda. En ese momento, como dijeron estos científicos:

... sus respectivos agujeros negros centrales chocan entre sí.

Esta serie de ilustraciones muestra la fusión prevista, dentro de miles de millones de años, entre nuestra galaxia, la Vía Láctea y la vecina galaxia de Andrómeda. Lea más sobre estas imágenes, que son vía NASA / ESA / Z. Levay y R. van der Marel, STScI / T. Hallas y A. Mellinger.

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La miembro del equipo de estudio, Laura Blecha, de la Universidad de Florida, en Gainesville, dijo:

Las simulaciones por computadora de smashups de galaxias nos muestran que los agujeros negros crecen más rápido durante las etapas finales de las fusiones, cerca del momento en que interactúan los agujeros negros, y eso es lo que hemos encontrado en nuestra encuesta.

El hecho de que los agujeros negros crezcan más y más rápido a medida que avanzan las fusiones nos dice que los encuentros con galaxias son realmente importantes para nuestra comprensión de cómo estos objetos llegaron a ser tan monstruosamente grandes.

¿Qué tan grandes son? Se cree que el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra Vía Láctea, por ejemplo, tiene aproximadamente 4 millones de veces la masa de nuestro sol. La galaxia de Andrómeda es más grande que la Vía Láctea (es la galaxia más grande de nuestro grupo local), y su agujero negro central también es más grande. Las estimaciones generalmente superan los 100 millones de masas solares. Más allá de nuestro grupo local, los agujeros negros supermasivos dentro de galaxias distantes pueden ser aún más masivos.

Estas imágenes revelan la etapa final de una unión entre un par de núcleos galácticos en los desordenados núcleos de galaxias en colisión. La imagen de la izquierda, tomada por la cámara de campo amplio Hubble 3, muestra la galaxia fusionada NGC 6240. A la derecha se muestra un primer plano de los 2 núcleos brillantes de esta unión galáctica. Esta vista, tomada con luz infrarroja, atraviesa la densa nube de polvo y gas que encierra las dos galaxias en colisión y descubre los núcleos activos. Los fuertes agujeros negros en estos núcleos están creciendo rápidamente mientras se deleitan con el gas provocado por la fusión de galaxias. El rápido crecimiento de los agujeros negros ocurre durante los últimos 10 millones a 20 millones de años de la fusión. Imagen vía NASA / ESA / M. Koss (Eureka Scientific Inc).

Las fusiones de galaxias parecen ser eventos comunes en nuestro universo, y fueron aún más comunes en el universo temprano de lo que son ahora. No suceden rápidamente. Estos astrónomos dijeron:

Una fusión de galaxias es un proceso lento que dura más de mil millones de años, ya que dos galaxias, bajo el impulso inexorable de la gravedad, bailan entre sí antes de finalmente unirse.

Las simulaciones revelan que las galaxias levantan mucho gas y polvo a medida que se someten a este choque de trenes a cámara lenta.

Arriba a la izquierda: instantáneas de Hubble de NGC 6240, que se sabe que tiene un núcleo doble o núcleo, y se cree que es un lugar donde colisionan 2 galaxias. Las imágenes de otras 4 galaxias en colisión, junto con las vistas de primer plano de sus núcleos coalescentes en los núcleos brillantes, se muestran debajo de NGC 6240. La imagen izquierda de cada par, que muestra las galaxias fusionadas, fue tomada por el Panoramic Survey Telescope y Rapid Response Sistema (Pan-STARRS). La imagen de la derecha, que muestra los núcleos brillantes, fue tomada en luz infrarroja cercana por el Observatorio WM Keck en Hawai, utilizando una óptica adaptativa para agudizar la vista. Los núcleos en cada una de las fotos infrarrojas del Observatorio Hubble y Keck están a solo 3, 000 años luz de distancia, casi en términos cósmicos. Si hay pares de agujeros negros, es probable que se fusionen en los próximos 10 millones de años para formar un agujero negro más masivo. Imagen vía NASA / ESA / M. Koss (Eureka Scientific, Inc.) / WM Keck Observatory / Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS).

Los astrónomos describieron la escena de esta manera:

El material expulsado a menudo forma una cortina gruesa alrededor de los centros de las galaxias que se unen, protegiéndolas de la vista con luz visible. Parte del material también cae sobre los agujeros negros en los núcleos de las galaxias fusionadas. Los agujeros negros crecen a un ritmo rápido a medida que se engullen con su comida cósmica y, al ser comedores desordenados, hacen que el gas que cae se encienda brillantemente. Este rápido crecimiento ocurre durante los últimos 10 millones a 20 millones de años de la unión. Las imágenes del Observatorio Hubble y Keck capturaron vistas de primer plano de esta etapa final, cuando los agujeros negros abultados están a solo unos 3.000 años luz de distancia, un abrazo cercano en términos cósmicos.

No es fácil encontrar núcleos de galaxias tan juntos. La mayoría de las observaciones previas de galaxias en colisión han atrapado los agujeros negros que se unieron en etapas anteriores cuando estaban aproximadamente 10 veces más lejos. La etapa tardía del proceso de fusión es tan difícil de alcanzar porque las galaxias que interactúan están encerradas en polvo y gases densos y requieren observaciones de alta resolución en luz infrarroja que puede ver a través de las nubes y determinar la ubicación de los dos núcleos fusionados.

El equipo primero buscó agujeros negros activos y oscurecidos visualmente al examinar los datos de rayos X de 10 años del Telescopio de Alerta de Explosión (BAT) a bordo del Neil Gehrels Swift Telescope de la NASA, un observatorio espacial de alta energía. Koss explicó:

El gas que cae sobre los agujeros negros emite rayos X, y el brillo de los rayos X le indica qué tan rápido está creciendo el agujero negro. No sabía si encontraríamos fusiones ocultas, pero sospechamos, en base a simulaciones por computadora, que estarían en galaxias muy envueltas. Por lo tanto, tratamos de mirar a través del polvo con las imágenes más nítidas posibles, con la esperanza de encontrar un color negro coalescente. agujeros

Los investigadores revisaron el archivo del Hubble, identificando aquellas galaxias fusionadas que vieron en los datos de rayos X. Luego utilizaron la visión súper nítida del infrarrojo cercano del Observatorio Keck para observar una muestra más grande de los agujeros negros productores de rayos X que no se encuentran en el archivo del Hubble. Koss dijo:

La gente había realizado estudios para buscar estos agujeros negros que interactúan estrechamente antes, pero lo que realmente permitió este estudio en particular fueron los rayos X que pueden atravesar el capullo de polvo. También miramos un poco más lejos en el universo para poder examinar un mayor volumen de espacio, dándonos una mayor oportunidad de encontrar agujeros negros más luminosos y de rápido crecimiento.

Muchas de las galaxias dentro de la distancia de prospección de 330 millones de años luz son similares en tamaño a las galaxias de la Vía Láctea y Andrómeda. El equipo analizó 96 galaxias del Observatorio Keck y 385 galaxias del archivo Hubble encontradas en 38 programas de observación de Hubble diferentes. Las galaxias de muestra son representativas de lo que los astrónomos encontrarían al realizar un estudio de todo el cielo.

Para verificar sus resultados, el equipo de Koss comparó las galaxias encuestadas con otras 176 galaxias del archivo Hubble que carecen de agujeros negros en crecimiento activo. La comparación confirmó que los núcleos luminosos encontrados en el censo de galaxias polvorientas que interactúan entre los investigadores son de hecho una firma de pares de agujeros negros en rápido crecimiento que se dirigen a una colisión. Los astrónomos también dijeron:

Cuando los dos agujeros negros supermasivos en cada uno de estos sistemas finalmente se unen en millones de años, sus encuentros producirán fuertes ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales producidas por la colisión de dos agujeros negros de masa estelar ya han sido detectadas por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO). Los observatorios como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) espacial de la NASA / ESA podrán detectar las ondas gravitacionales de baja frecuencia de las fusiones de agujeros negros supermasivos, que son un millón de veces más masivas que las detectadas por LIGO.

Los futuros telescopios infrarrojos, como el telescopio espacial James Webb planeado por la NASA y una nueva generación de telescopios gigantes terrestres, proporcionarán una sonda aún mejor de colisiones de galaxias polvorientas al medir las masas, la tasa de crecimiento y la dinámica de los pares de agujeros negros cercanos. El telescopio Webb también puede mirar a la luz infrarroja media para descubrir más interacciones de galaxias tan cubiertas de gas espeso y polvo que incluso la luz infrarroja cercana no puede penetrarlas.

En pocas palabras: los astrónomos observan en el infrarrojo cercano para mirar a través de nubes de polvo y gas en los núcleos de galaxias distantes y fusionadas, y observan agujeros negros supermasivos que forman mega agujeros negros.

Fuente: una población de agujeros negros luminosos y crecientes con fusiones ocultas

Vía Universidad de Florida y NASA.