Nuevo estudio sugiere que existen decenas de miles de Agujeros Negros en el centro de la Vía Láctea

Los astrofísicos de Columbia han descubierto 12 agujeros negros binarios de  baja masa, que orbitan Sgr A * dentro de un círculo de 1 parsec, en el centro de la Vía Láctea. Su existencia sugiere que hay probablemente unos 10,000 agujeros negros dentro de una distancia de sólo tres años luz del Centro Galáctico. La ampliación en la figura, muestra un par binario formado por un agujero negro de baja masa y una estrella. La gravedad del agujero negro (AN) quita gas de la estrella, dando lugar a la formación de un disco de acreción entorno al él, en el que la velocidad del gas aumenta marcadamente al acercarse al horizonte de eventos del AN dando lugar por fricción, a un fuerte calentamiento  del mismo con la consiguiente emisión de rayos X, que son detectados por los telescopios para alta energía. Crédito: Universidad de Columbia.

Un equipo de astrofísicos liderado por la Universidad de Columbia descubrió una docena de agujeros negros reunidos alrededor de Sagittarius A * (Sgr A *), el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. El hallazgo es el primero en apoyar una predicción de décadas de antigüedad, que abre una miríada de oportunidades para comprender mejor el Universo.

«Todo lo que quieras aprender sobre la forma en que los grandes agujeros negros interactúan con pequeños agujeros negros, puedes hacerlo estudiando esta distribución», dijo el astrofísico de Columbia Chuck Hailey , codirector del Columbia Astrophysics Lab y autor principal del estudio. . «La Vía Láctea es realmente la única galaxia que tenemos donde podemos estudiar cómo los agujeros negros supermasivos interactúan con los pequeños porque simplemente no podemos ver sus interacciones en otras galaxias. En cierto sentido, este es el único laboratorio que tenemos que estudiar este fenómeno.»

El estudio aparece en la edición del 5 de Abril de Nature .

Durante más de dos décadas, los investigadores han buscado infructuosamente pruebas que apoyen la teoría de que miles de agujeros negros rodean agujeros negros supermasivos (SMBH) en el centro de grandes galaxias.

Imagen de Sagitario A* y su entorno tomada con el el Telescopio espacial de Rayos X Chandra. Crédito: NASA/CXC/SAO.

«Solo hay unas cinco docenas de agujeros negros conocidos en toda la galaxia -100 mil años luz de ancho- y se supone que hay de 10,000 a 20,000 de estos objetos en una región de sólo seis años luz de ancho que nadie ha podido encontrar. «, Dijo Hailey, agregando que se han realizado búsquedas infructuosas de agujeros negros alrededor de Sgr A *, el SMBH más cercano a la Tierra y por lo tanto el más fácil de estudiar. «No ha habido mucha evidencia creíble».

Las simulaciones de la formación de galaxias predicen una gran población de agujeros negros de masa estelar alrededor de sus agujeros negros supermasivos centrales. Hasta ahora no habían sido observados en nuestra galaxia. Se publica en Nature la primera observación de una docena de binarias de rayos X en un círculo con un pársec de radio alrededor de Sgr A*, mostrados con círculos celestes en la imagen. Los círculos rojos representan fuentes térmicas, posibles candidatos a agujeros negros solitarios de masa estelar. Como sólo se observan agujeros negros en sistemas binarios, estos números apuntan a una población de más de diez mil agujeros negros aislados, no observables, como predicen los modelos teóricos. Crédito imagen: Charles J. Hailey et al./Chandra/Nature.

Explicó que Sgr A * está rodeado por un halo de gas y polvo que proporciona el caldo de cultivo perfecto para el nacimiento de estrellas masivas, que viven, mueren y podrían convertirse en agujeros negros. Además, se cree que los agujeros negros del exterior del halo caen bajo la influencia del SMBH a medida que pierden su energía, lo que hace que se acerquen a la SMBH, donde se mantienen cautivos por su fuerza.

Si bien la mayoría de los agujeros negros atrapados permanecen aislados, algunos capturan y se unen a una estrella que pasa, formando una binaria estelar. Los investigadores creen que hay una gran concentración de estos agujeros negros aislados y apareados en el Centro Galáctico, formando una cúspide de densidad, que se llena cada vez más a medida que disminuye la distancia al SMBH.

En el pasado, los intentos fallidos de encontrar evidencia de dicha cúspide se han centrado en buscar la brillante explosión de rayos X que se produce cuando los agujeros negros se aparean con las estrellas compañeras.

«Es una forma obvia de querer buscar agujeros negros», dijo Hailey, «pero el Centro Galáctico está tan lejos de la Tierra que esas explosiones son lo suficientemente fuertes y brillantes como para verlas una vez cada 100 o 1,000 años». Para detectar binarias de agujero negro, Hailey y sus colegas se dieron cuenta de que tendrían que buscar los rayos X más débiles, pero más estables, emitidos después del enlace inicial, cuando las binarias están en un estado inactivo.

«Sería tan fácil si las binarias de agujeros negros rutinariamente emitieran grandes ráfagas como lo hacen las binarias de estrellas de neutrones, pero no es así, así que tuvimos que encontrar otra forma de buscarlos», dijo Hailey. «Los agujeros negros aislados y sin unir son simplemente negros, no hacen nada. Por lo tanto, buscar agujeros negros aislados tampoco es una forma inteligente de encontrarlos. Pero cuando los agujeros negros se aparean con una estrella de masa baja, el matrimonio emite ráfagas de rayos X que son más débiles, pero constantes y detectables. Si pudiéramos encontrar agujeros negros que están acoplados con estrellas de baja masa y sabiendo qué fracción de agujeros negros se unirán con estrellas de baja masa, podríamos inferir científicamente la población de agujeros negros aislados que hay «.

Hailey y sus colegas recurrieron a los datos de archivo del Observatorio de Rayos X Chandra para probar su técnica. Buscaron firmas de rayos X de binarias  de agujero negro de baja masa  en su estado inactivo y pudieron encontrar 12, en un espcaio que cubre tres años luz, de Sgr A *. Luego, los investigadores analizaron las propiedades y la distribución espacial de los sistemas binarios identificados y extrapolaron de sus observaciones que debe haber entre 300 y 500 binarias de masa baja de agujero negro y aproximadamente 10,000 agujeros negros aislados en el área que rodea Sgr A *.

«Este hallazgo confirma una teoría importante y las implicaciones son muchas», dijo Hailey. «Avanzará significativamente  la investigación de ondas gravitacionales porque conocer la cantidad de agujeros negros en el centro de una galaxia típica puede ayudar a predecir con mayor precisión cuántos eventos de ondas gravitacionales pueden estar asociados con ellos. Toda la información que necesitan los astrofísicos está en el centro de la galaxia «.

Los coautores de Hailey en el documento incluyen: Kaya Mori, Michael E. Berkowitz y Benjamin J. Hord, todos de la Universidad de Columbia; Franz E. Bauer, del Instituto de Astrofísica, Facultad de Física, Pontificia, Universidad Católica de Chile, Instituto Milenio de Astrofísica,  y el Instituto de Ciencia Espacial; y Jaesub Hong, del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

Fuente: University of Columbia. 

Artículo original: New Study Suggests Tens of Thousands of Black Holes Exist in Milky Way’s Center. Jessica Guenzel ( Public Affairs Officer at Columbia University). April 04, 2018.

El paper publicado en Nature: «A density cusp of quiescent X-ray binaries in the central parsec of the Galaxy«. Charles J Hailey et al. Nature volume 556, pages 70–73 (05 April 2018). doi:10.1038/nature25029

 

Material relacionado:

La noticia publicada en los medios:

Una brevísima pero excelente  reseña sobre los Agujeros Negros, extracto del libro «Our Cosmic Habitat» escrito para todo público por Lord Martin Rees, Astrónomo Real de Gran Bretaña, miembro y expresidente de la «Royal Society», Profesor de Investigación en la Universidad de Cambridge, es:

Una  presentación concisa de los distintos tipos de agujeros negros (ANs), sus posibles orígenes, descubrimiento  y lo que podemos conocer acerca de ellos con la nueva herramienta para el estudio de las fusiones de pares de ellos, las Ondas Gravitacionales, se encuentra en el siguiente artículo:

Un gran problema presenta el hecho de que se han encontrado agujeros negros de baja masa (de 3 a 35 masas solares hasta ahora), agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias (con masas que van desde  1 a 66 millones de masas solares, a excepción de uno de 800 millones de masas solares en el Universo temprano encontrado a finales del año pasado, 2017), pero solamente uno  de masa intermedia (100.000 masas solares), de los cuales se piensa deberían existir muchos más , como «semillas» para la formación de agujeros negros supermasivos, según lo relata el Astrofísico Franz Bauer, quien también fue coautor del artículo actual:

Sobre el descubrimiento del Agujero Negro Supermasivo en el centro de nuestra galaxia, el paper correspondiente publicado en Nature y un artículo posterior de ESO: 

Esta misma estrella está siendo observada nuevamente este mes de Abril de 2018, pues está cerca del pasaje por el Periápsis de su órbita dando lugar a efectos relativistas predichos, que pueden ser medidos, según relata el siguiente artículo:

Una espectacular visualización de 360º del centro de la Vía Láctea, una película que hace que el espectador quede inmerso en el entorno de Sagitario A* en el centro de nuestra  galaxia; la visualización fue presentada por el Investigador Christopher Russell de la Pontificia Universidad Católica de Chile en el «General Meeting 231» de la «American Astronomical Society» en Enero pasado (2018) en Washington DC. La explicación de la visualización junto a los trabajos de investigación con ella realizados por el autor y su equipo están detallados en el siguiente artículo y la presentación en el  AAS General Meeting 231 en el segundo:

Existen dos teorías sobre la formación de los Agujeros Negros Supermasivos: una que afirma que son el resultado de la fusión de los agujeros negros dejados tras la muerte de la primera generación de estrellas masivas y la otra que plantea que se formaron por el colapso directo de grandes nubes de gas sin pasar por la etapa estelar, dando origen a agujeros negros de mayor masa que luego se fusionaron; los dos artículos siguientes, escritos para todo público por dos  reconocidas investigadoras, presentan el tema de forma excelente:

Una característica de los agujeros negros supermasivos activos es la emisión de estrechos pero larguísimos jets de plasma en direcciones opuestas, a velocidades relativistas; el artículo siguiente, trata de poner luz en la física que gobierna estos jets:

Se piensa que estos jets regulan el nacimiento de estellas en la galaxia, al modificar las condiciones del gas circundante ya sea provocando ondas de choque que aumentan la densidad del gas, desencadenando el nacimiento de estrellas o bien  interrumpiendo el proceso de formación de estrellas, al dispersar el gas que lo alimenta. El estudio de este proceso  junto al hallazgo de una relación entre la masa de una galaxia y la del agujero negro supermasivo que lo alberga, condujo a plantear la coevolución de ambos (la galaxia y su ANS).

Un intersante artículo de la Astrofísica catalana  Mar Mezcua, que describe el hallazgo de la coevolución , implicando que dichos ANS regulan el crecimiento de las galaxias y también el estudio de la validez o no, de esta relación cuando las galaxias forman parte de un cúmulo de galaxias, es: 

Sin embargo, un reciente estudio publicado  también en Febrero de 2018, liderado por el Dr. Yoshiki Toba, del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica (ASIAA, Taiwán), pone dudas sobre la coevolución de los agujeros negros supermasivos y las galaxias que los albergan. Al utilizar la extraordinaria sensibilidad de ALMA, que es excelente para investigar las propiedades del gas molecular y las actividades de formación de estrellas en galaxias, el equipo realizó su investigación observando el CO (monóxido de carbono molecular) y el polvo frío de la galaxia WISE1029. Tras un análisis detallado, sorprendentemente encontraron que no hay señales de un importante flujo de gas molecular. Además, la actividad de formación de estrellas no se activa ni se suprime. Esto indica que un fuerte flujo de gas ionizado lanzado desde el agujero negro supermasivo (el jet) en WISE1029 no afecta significativamente al gas molecular circundante ni a la formación de estrellas:

Ver  también más abajo, en la sección «Videos de Charlas y Conferencias Públicas» la charla ofrecida sobre este tema por el Dr. John Kormendy.

Sobre la formación de cúmulos  de estrellas en el núcleo de la galaxia ( tema que tiene importancia en la formación de binarias de Agujeros Negros en el núcleo):

Directamente relacionado con el tema del artículo, está el siguiente comentario para el público de un trabajo de investigación reciente, sobre binarias de Agujeros Negros de baja masa en cúmulos estelares en el núcleo de nuestra galaxia, en directa conexión con el estudio de las Ondas Gravitacionales producidas en el proceso de fusión de esas binarias:

Colecciones de artículos en los medios sobre Agujeros Negros Super Masivos:

Sky & Telescope.                                                                          

Astronomy Magazine.                                                                                                         

Sky at Night                                                                                                                                                     

Astronomy Now.

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Astrobitos.                                                                                                                                                  

The Conversation.                                                                                                                         

Nature.                                                                                                                  

Science.

ESA

ESO.

NASA.

Hubblesite.

Spitzer Space Infrared Observatory

Chandra X Ray Observatory

Libros: 

The Milky Way. An Insider’s GuideWilliam H. Waller.  Princeton University Press. April 21, 2013. (Ver comentarios).

Videos:

Documentales:

Conferencias TEDx:

Conferencias y Charlas Públicas:

 

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