ASTRONOMÍA. Los agujeros negros supermasivos desaceleran su crecimiento al envejecer el universo

Los agujeros negros supermasivos desaceleran su crecimiento al envejecer el universo

 

Los investigadores han proporcionado el mejor modelo hasta la fecha del crecimiento de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias combinando observaciones de rayos X de las instalaciones de rayos X más potentes jamás lanzadas al espacio con simulaciones de supercomputadoras de la acumulación de galaxias a lo largo de la historia cósmica. A la izquierda, en azul, hay una imagen que combina rayos X y, en rojo, verde y azul, observaciones ópticas. A la derecha se muestra una densidad de columna de gas simulada a partir de simulaciones cosmológicas utilizando IllustrisTNG. La emisión de rayos X observada proviene principalmente de agujeros negros supermasivos en acreción, como se muestra en la ilustración insertada del artista. La longitud del lado corto de la figura cubre el mismo tamaño aparente que la luna llena en el cielo.  Fuente: F. Zou/Penn State, et al.; Observaciones: The XMM-SERVS Collaboration; Simulaciones: The TNG Collaboration; Ilustración: Nahks TrEhnl/Penn State / Penn State .  Creative Commons

13 julio 2024.- Los agujeros negros son objetos astronómicos extraordinarios cuya gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos. Los más gigantescos, conocidos como agujeros negros “supermasivos”, pueden pesar millones o miles de millones de veces la masa del Sol.

Estos gigantes suelen vivir en el centro de las galaxias . Nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, también contiene un agujero negro supermasivo en su corazón.

Entonces, ¿cómo se vuelven supermasivos estos agujeros negros supermasivos? Para responder a esta pregunta, un equipo  de astrofísicos miró hacia atrás en el tiempo a lo largo de los 13.800 millones de años de historia del universo para rastrear cómo han crecido los agujeros negros supermasivos desde sus inicios hasta hoy.

Construyeron un modelo de la historia general del crecimiento de los agujeros negros supermasivos a lo largo de los últimos 12 mil millones de años.

¿Cómo crecen los agujeros negros supermasivos?

Los agujeros negros supermasivos crecen principalmente de dos maneras: pueden consumir gas de sus galaxias anfitrionas en un proceso llamado acreción y también pueden fusionarse entre sí cuando dos galaxias colisionan.

Ilustración artística de un agujero negro supermasivo en proceso de acreción. El agujero negro central es negro, mientras que el gas que lo rodea se calienta y brilla para producir luz. Nahks Tr'Ehnl (Penn State)

Cuando los agujeros negros supermasivos consumen gas, casi siempre emiten fuertes rayos X , un tipo de luz de alta energía invisible a simple vista. Probablemente hayas oído hablar de los rayos X que se utilizan en el dentista para examinar los dientes. Los rayos X que detectan los astrónomos suelen tener energías más bajas que los rayos X médicos.

Entonces, ¿cómo puede escapar la luz, incluso los rayos X invisibles, de los agujeros negros? En sentido estricto, la luz no proviene de los agujeros negros en sí, sino del gas que se encuentra justo fuera de ellos. Cuando el gas es atraído hacia un agujero negro, se calienta y brilla para producir luz, como rayos X. Cuanto más gas consume un agujero negro supermasivo, más rayos X producirá.

Gracias a los datos acumulados durante más de 20 años de tres de las instalaciones de rayos X más potentes jamás lanzadas al espacio – Chandra , XMM-Newton y eROSITA – los astrónomos pueden capturar rayos X de un gran número de agujeros negros supermasivos en acreción en el universo.

Estos datos permiten a nuestro equipo de investigación estimar la velocidad a la que crecen los agujeros negros supermasivos al consumir gas. En promedio, un agujero negro supermasivo puede consumir suficiente gas como para alcanzar aproximadamente la masa del Sol cada año, y el valor exacto depende de varios factores.

Por ejemplo, los datos muestran que la tasa de crecimiento de un agujero negro, promediada durante millones de años, está fuertemente relacionada con la masa de todas las estrellas en su galaxia anfitriona.

¿Con qué frecuencia se fusionan los agujeros negros supermasivos?

Además de alimentarse de gas, los agujeros negros supermasivos también pueden crecer fusionándose entre sí para formar un único agujero negro más masivo cuando las galaxias chocan.

Las simulaciones cosmológicas realizadas con supercomputadoras pueden predecir la frecuencia con la que se producen estos eventos. Estas simulaciones tienen como objetivo modelar cómo crece y evoluciona el universo a lo largo del tiempo. Las innumerables galaxias que vuelan por el espacio son como ladrillos que construyen el universo.

Estas simulaciones muestran que las galaxias y los agujeros negros supermasivos que albergan pueden sufrir múltiples fusiones a lo largo de la historia cósmica.

Los científicos han rastreado estos dos canales de crecimiento (consumo de gas y fusiones) utilizando rayos X y simulaciones de supercomputadoras, y luego los han combinado para construir este historial de crecimiento general, que mapea el crecimiento de los agujeros negros en todo el universo a lo largo de miles de millones de años.

La historia de crecimiento reveló que los agujeros negros supermasivos crecieron mucho más rápido hace miles de millones de años, cuando el universo era más joven.

En los primeros tiempos, el universo contenía más gas para que lo consumieran los agujeros negros supermasivos, y estos siguieron apareciendo. A medida que el universo envejecía, el gas se fue agotando gradualmente y el crecimiento de los agujeros negros supermasivos se desaceleró. Hace unos 8.000 millones de años, el número de agujeros negros supermasivos se estabilizó. Desde entonces, no ha aumentado sustancialmente.

Ilustración de la fusión de dos agujeros negros supermasivos. Scott Noble (NASA GSFC)

Cuando no hay suficiente gas disponible para que los agujeros negros supermasivos crezcan por acreción, la única forma de que se hagan más grandes es mediante fusiones. No hemos visto muchos casos de eso en nuestra historia de crecimiento. En promedio, los agujeros negros más masivos pueden acumular masa a partir de fusiones a un ritmo de hasta la masa del Sol cada varias décadas.

Esta investigación ha ayudado a comprender cómo más del 90% de la masa de los agujeros negros se ha acumulado durante los últimos 12 mil millones de años.

Sin embargo, todavía no sabemos cómo crecieron en el universo primitivo para explicar los pocos porcentajes restantes de masa de los agujeros negros. La comunidad astronómica está empezando a hacer avances en la exploración de estos primeros agujeros negros supermasivos y se espera encontrar más respuestas pronto.