Astrónomos detectan agujero negro supermasivo que viaja en el espacio dejando formación estelar a su paso
Por Evan Gough, Universo Hoy
16 de febrero de 2023.
La concepción de este artista ilustra un agujero negro supermasivo (punto negro central) en el núcleo de una galaxia joven rica en estrellas. Ahora, los astrónomos han encontrado un SMBH rebelde que viaja por el espacio. Crédito: NASA/JPL-Caltech.
Los agujeros negros supermasivos (SMBH) acechan en el centro de grandes galaxias como la nuestra. Desde su posición de mando en el corazón de la galaxia, se alimentan de gas, polvo, estrellas y cualquier otra cosa que se acerque demasiado, haciéndose más masivas a medida que pasa el tiempo. Pero en raras circunstancias, un SMBH puede ser forzado a salir de su posición y lanzarse por el espacio como un SMBH rebelde.
En un nuevo artículo, investigadores de Canadá, Australia y EE. UU. presentan evidencia de un SMBH rebelde que atraviesa el espacio e interactúa con el medio circungaláctico (CGM). En el camino, el gigante crea ondas de choque y desencadena la formación de estrellas.
El documento es "Un candidato a agujero negro supermasivo fugitivo identificado por choques y formación de estrellas a su paso". El autor principal es Pieter van Dokkum, profesor de astronomía y física en la Universidad de Yale. El documento está disponible en el servidor de preimpresión arXiv y aún no ha sido revisado por pares.
Si nunca ha oído hablar de un SMBH fugitivo, no está solo. Los SMBH normalmente están bloqueados en el centro de las galaxias, y ahí es donde permanecen. Pero los científicos creen que, en raras circunstancias, los SMBH pueden escapar de sus galaxias. En su artículo, los autores explican cómo se puede expulsar un SMBH de su galaxia anfitriona.
Siempre comienza cuando las galaxias se fusionan. Eso lleva a la formación de un SMBH binario en el centro del remanente de la fusión. El SMBH binario puede tener una vida muy larga, sobreviviendo hasta mil millones de años antes de fusionarse. Si durante ese tiempo, un tercer SMBH llega al centro galáctico, entonces una interacción de tres cuerpos puede dar a uno de los SMBH un impulso de velocidad y puede ser expulsado de la galaxia.
Pero a pesar de sus fundamentos teóricos, encontrar estos SMBH deshonestos es difícil. Los astrónomos identificaron a uno de los mejores candidatos en 2021, a unos 230 millones de años luz de distancia. Los autores notaron un movimiento y una velocidad peculiares que indicaban una interrupción reciente. Pero no pudieron concluir si vieron una fusión de galaxias en curso, un sistema binario de agujeros negros o un evento de retroceso de ondas gravitacionales.
Los astrónomos reconocen un par de formas en que pueden identificar un SMBH fugitivo. La forma más fácil es si el agujero está absorbiendo material activamente como un núcleo galáctico activo y puede identificarse por su luminosidad. "Para tales objetos", escriben los autores, "la presencia de un SMBH no está en duda, pero puede ser difícil determinar si son agujeros negros 'desnudos' o núcleos de galaxias en fusión".
Otra forma es por la masa estelar que arrastra el agujero rebelde. Cuando se expulsa un SMBH, su poder gravitacional masivo atrae a algunas estrellas con él. Pero sin la luminosidad de un AGN, la penumbra dificulta la identificación del agujero y sus compañeros estelares desde una gran distancia.
Una tercera forma en que los astrónomos podrían reconocer un potencial SMBH rebelde es por el efecto que tiene sobre el gas difuso en el medio circungaláctico (CGM) a medida que pasa a través de él.
"La interacción de un agujero negro supermasivo fugitivo con el CGM puede conducir a la formación de una estela de gas impactado y estrellas jóvenes detrás de él", escriben los autores. En su artículo, informan del descubrimiento fortuito de una característica lineal en las imágenes de la Cámara avanzada para encuestas del Hubble que podría ser una de estas estelas.
Cuando un SMBH viaja a través de hidrógeno ionizado en el CGM, produce un frente de choque con una larga estela detrás de él. En la estela, las nubes de gas impactado pueden enfriarse y formar estrellas que parecen nudos en el camino. Los investigadores analizaron tres de los nudos en la característica lineal y midieron su edad y metalicidad.
La teoría y los modelos muestran que las estrellas más jóvenes formadas en la estela deberían tener menos de 30 millones de años. Cuando los investigadores midieron sus propiedades, encontraron que los tres nudos están dentro del rango de edad establecido por los modelos. También están dentro del rango de metalicidades y contenido de polvo.
Si la galaxia anfitriona expulsó un SMBH, la galaxia debería mostrar signos de interrupción. Los SMBH son extraordinariamente masivos y esa cantidad de masa no puede moverse a través de una galaxia sin darle forma. El equipo examinó la galaxia que generó el SMBH rebelde y descubrió que su morfología estaba alterada.
Sin embargo, existe otra posible explicación para la característica lineal. Podría ser un jet de agujero negro en lugar de un SMBH rebelde. En las condiciones adecuadas, los chorros de agujeros negros también pueden impactar el gas en el CGM y conducir a la formación de estrellas. "Hay dos ejemplos cercanos bien estudiados de chorros que desencadenan la formación de estrellas", afirman los autores. Uno de ellos se llama Objeto de Minkowski.
Los autores reconocen que la explicación del chorro del agujero negro es una posibilidad, pero dicen que tiene demasiados problemas. Las líneas de emisión visibles no son una propiedad de los chorros de agujeros negros y no hay evidencia de actividad nuclear. También hay un problema con la morfología. "Un problema más grave es que la morfología de la característica no coincide con las simulaciones u observaciones de la formación estelar inducida por chorros", explican los autores.
Se deciden por un SMBH fuera de control como la mejor explicación para los datos y las observaciones.
"Las relaciones de línea, los colores y la morfología general son consistentes con un SMBH expulsado que se mueve a través del CGM a alta velocidad mientras desencadena la formación de estrellas", escriben.
La localización de los agujeros negros sería una prueba irrefutable de esta conclusión. "La evidencia 'pistola humeante' para este escenario sería la identificación inequívoca de los propios agujeros negros", escriben los investigadores. "Estos son candidatos a 'sistemas estelares hipercompactos', SMBH envueltos en estrellas y gas que se escapa con ellos", explican.
La característica larga en estas observaciones es muy inusual, por lo que no será una sorpresa si tiene una causa inusual. Solo más observaciones pueden determinar si los SMBH deshonestos están en el trabajo, y el JWST podría proporcionarlos. "Los datos más profundos, por ejemplo, de JWST NIRSPEC IFU, pueden mostrar las líneas de emisión de gas ionizado esperadas, muy desplazadas hacia el rojo o hacia el azul, que están unidas a los agujeros negros. Esos datos también podrían resolver espacialmente flujos, choques y estrellas, dicen los autores.
Y si hay una instancia de SMBH fuera de control que crea estas características, habrá otras.
"De cara al futuro, la morfología de la característica en las imágenes del HST es tan sorprendente que no debería ser demasiado difícil encontrar más ejemplos, si existen. Los datos futuros del telescopio Nancy Grace Roman se pueden buscar con algoritmos automatizados", explican.
Un SMBH rebelde desconectado de su galaxia y deambulando por el medio circungaláctico es un fenómeno fascinante. Solo estamos en las primeras etapas de comprensión de los SMBH, cómo están vinculados con el crecimiento de galaxias y cómo se fusionan para producir ondas gravitacionales.
Descubrir que pueden ser expulsados de sus galaxias anfitrionas agrega una capa de complejidad que solo la naturaleza podría generar.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-02-astronomers-rogue-supermassive-black-hole.html