Los agujeros negros de peso medio proporcionan una ventana al universo temprano

¿Cómo se formaron los agujeros negros supermasivos? Dos estudios descubrieron docenas de agujeros negros de masa mediana en galaxias enanas para alimentar un debate en curso.

Los agujeros negros de peso pesado son una característica sorprendentemente común del universo, que acechan o arden en galaxias cercanas y lejanas. Pero una pregunta ha preocupado a los astrónomos desde hace mucho tiempo: ¿de dónde provienen estos llamados agujeros negros supermasivos, que generalmente varían en masa de millones a miles de millones de soles? Dos estudios que usan observaciones de rayos X dan dos respuestas diferentes.

Pasado presente

El concepto de este artista muestra un agujero negro con gas caliente en espiral a través de un disco de acreción. Las líneas de campo magnético arrojan una cantidad diminuta de este material en un chorro ultrarrápido que se dispara al espacio. Los rayos X pueden emanar del disco o del chorro.
NASA / JPL-Caltech

Cuando el universo tenía menos de mil millones de años, las galaxias ya albergaban agujeros negros supermasivos, visibles por el gas incandescente que engullían a tasas de docenas de soles por año. Sin embargo, incluso cuando se atiborran a esa velocidad, la forma típica que conocemos de hacer un agujero negro `` el colapso de una estrella moribunda '' no sería suficiente para crear tales bestias.

Actualmente hay dos soluciones a la vanguardia para resolver este dilema: una idea es que la primera generación de estrellas que dieron origen a los agujeros negros fueron mucho más masivas que la versión moderna, que generalmente contenía 100 soles en masa. Estos agujeros negros de 100 masas solares tendrían que alimentarse a velocidades tremendas casi todo el tiempo para crecer a un tamaño supermasivo para cuando el universo alcance los mil millones de años.

Una idea alternativa es que los primeros agujeros negros se formaron cuando una nube de gas colapsó directamente en algo entre hasta mil veces la masa del Sol. Este escenario necesita una situación bastante especial para hacer crecer agujeros negros tan grandes, para mantener todo el gas unido a medida que se colapsa sin que se fragmente en estrellas. (Consulte la función de Camille Carlisle, "Los primeros agujeros negros", en la edición de enero de 2017 de Sky & Telescope para obtener más detalles sobre estos escenarios).

La tecnología actual no nos permitirá probar ninguno de los dos escenarios, por lo que los astrónomos toman una ruta indirecta para buscar la respuesta. Si los agujeros negros supermasivos que habitan en grandes galaxias comienzan sus vidas como agujeros negros de masa estelar, entonces los agujeros negros más pequeños, de `` masa intermedia '', deberían ser comunes en las galaxias más pequeñas. El escenario de colapso directo, en cambio, predice que tales agujeros negros medianos serían raros. Entonces, todo lo que los astrónomos tienen que hacer es contar los agujeros negros en las galaxias enanas y tienen su respuesta pero eso no es tan fácil como parece.

Contando la división de peso medio

Mar Mezcua (Instituto de Ciencias Espaciales, España) y sus colegas estudiaron detenidamente las imágenes de rayos X recopiladas como parte de la Encuesta del Legado Chandra COSMOS, que también incluye datos de luz visible e infrarrojos. Encuentran 40 galaxias enanas que albergan activamente agujeros negros de peso medio con masas entre 10, 000 y 100, 000 soles. El equipo utiliza la fracción de agujeros negros activos, aproximadamente el 10%, como un proxy para el número total de agujeros negros en las galaxias enanas. La fracción baja, argumentan en los Avisos mensuales del 1 de agosto de la Royal Astronomical Society, favorece el modelo de colapso directo.

Esta imagen compuesta combina datos infrarrojos y de rayos X en el campo Encuesta heredada de COSMOS. Aproximadamente el 10% de las galaxias enanas en este campo 40 en total son anfitriones de un agujero negro de peso medio. La baja fracción de agujeros negros activos favorece el escenario de colapso directo, sostienen Mezcua y sus colegas.
Rayos X: NASA / CXC / ICE / M.Mezcua et al .; Infrarrojo: NASA / JPL-Caltech; Ilustración: NASA / CXC / A.Hobart

Otro punto a favor del escenario de colapso directo es que predice que las galaxias más pequeñas deberían ser menos propensas a albergar agujeros negros, y eso es exactamente lo que encuentran Mezcua y sus colegas. Pero la fracción de agujeros negros activos que calcula el equipo es en realidad un límite inferior en el número real de agujeros negros. Podría ser que enormes cantidades de agujeros negros en ayunas, silenciosos en los rayos X, acechan sin ser detectados en otras galaxias enanas.

Además del debate se encuentran nuevos datos de Igor Chilingarian (Smithsonian Astrophysical Observatory) y sus colegas, quienes analizaron datos del cielo para encontrar una muestra de 305 candidatos de agujeros negros de masa mediana, publicados el 6 de agosto en el Astrophysical Journal . Confirman a 10 de estos candidatos con observaciones de rayos X nuevas y archivadas de Chandra, XMM-Newton y Swift, que se estima tienen masas entre 30, 000 y 200, 000 soles.

Chilingarian sostiene que la mera existencia de agujeros negros de masa intermedia en el extremo inferior de este espectro de masas favorece el escenario de semillas estelares, ya que el escenario de colapso directo debería producir solo agujeros negros con más de 100, 000 soles. . Pero Mezcua no está de acuerdo, argumentando que los modelos de colapso directo son lo suficientemente flexibles como para permitir masas más pequeñas.

Por ahora, el concurso termina en un empate, y eso probablemente seguirá siendo así hasta que los astrónomos puedan encontrar una manera de encontrar agujeros negros inactivos en las galaxias enanas.

"Los métodos utilizados para medir masas de agujeros negros o inferir la presencia de un agujero negro en galaxias masivas con agujeros negros inactivos no se pueden aplicar a las galaxias enanas, porque son pequeñas y débiles en comparación con las galaxias elípticas masivas", dice Mezcua. "Entonces, si la detección de agujeros negros activos en galaxias enanas es difícil, la detección de las latentes es aún más difícil".

Amy Reines, cuyo estudio de 2013 también favoreció el modelo de colapso directo con las mismas advertencias que el estudio del equipo de Mezcua, está de acuerdo. "No creo que haya evidencia concluyente de una forma u otra", dice Amy Reines (Universidad Estatal de Montana). "Se necesita hacer más trabajo".