Así es como se alimenta un agujero negro supermasivo

En el corazón de la mayoría de las galaxias masivas de nuestro Universo, hay agujeros negros supermasivos (SMBH) que son del orden de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. A medida que estos gigantes consumen lentamente gas y polvo que se introducen lentamente en sus fauces, liberan enormes cantidades de energía. Esto conduce a lo que se conoce como un núcleo galáctico activo (AGN), también conocido como un Quásar, que a veces puede enviar chorros de material a hipervelocidad durante años luz.

Imagen: DESY, Science Communication Lab

Desde que se descubrieron por primera vez, los astrofísicos han sospechado que las SMBH juegan un papel importante en la formación y evolución de las galaxias. Sin embargo, como resultado, también ha habido una considerable investigación dedicada a cómo estos objetos masivos se forman y evolucionan a sí mismos. Recientemente, un equipo de astrofísicos realizó una simulación de alta potencia que mostró exactamente cómo se alimentan y determinan las SMBH

El estudio que describe su investigación se publicó el 17 de Agosto en la revista Astrophysical Journal . El equipo estuvo dirigido por Daniel Anglés-Alcázar, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Connecticut y ex-becario del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). A él se unió Claude-André Faucher-Giguère , profesor asociado de la Northwestern University y miembro de CIERA.

Faucher-Giguère también es el líder del Grupo de Formación de Galaxias Faucher-Giguère de Northwestern , donde Alcázar era miembro y donde comenzó el trabajo en la simulación. Otros miembros incluyeron astrónomos y físicos del MIT, Caltech, el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA), el Instituto de Estudios Avanzados , el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron y varias universidades.

Además de ser increíblemente masivas y poderosas, las SMBH también son conocidas por tener un gran apetito y pueden consumir 10 masas solares de material en solo un año. Pero mientras que algunos disfrutan de un suministro continuo de gas, otros permanecerán inactivos durante millones de años y luego volverán a despertar debido a una afluencia repentina de gas. Hasta ahora, los detalles de cómo fluía el gas a través del cosmos para alimentar a las SMBH han sido un misterio de larga data.

Para abordar esto, Anglés-Alcázar y sus compañeros de investigación crearon la primera simulación lo suficientemente potente como para simular todos los procesos físicos involucrados. Estos incluían la constante de Hubble-Lamaitre (tasa de expansión del Universo), el entorno a gran escala del cosmos, la hidrodinámica del gas, la retroalimentación de estrellas masivas y la gravedad, todo en un solo modelo. Como explicó Anglés-Alcázar :

“Los eventos poderosos como las supernovas inyectan mucha energía en el medio circundante, y esto influye en cómo evoluciona la galaxia. Por lo tanto, debemos incorporar todos estos detalles y procesos físicos para capturar una imagen precisa. Otros modelos pueden darte muchos detalles sobre lo que está sucediendo muy cerca del agujero negro, pero no contienen información sobre lo que está haciendo el resto de la galaxia ni mucho menos sobre lo que está haciendo el entorno alrededor de la galaxia. Resulta que es muy importante conectar todos estos procesos al mismo tiempo “.

La simulación del equipo se basa en trabajos previos del proyecto ” Feedback In Realistic Environments ” (FIRE), que crea simulaciones diseñadas para mejorar el poder predictivo de la formación de galaxias. Una de las cuestiones candentes que los proyectos buscan abordar son las propiedades de las informaciones y las salidas y los mecanismos de retroalimentación, los cuales fueron de gran importancia para este estudio. Como explicó Faucher-Giguère en un comunicado de prensa reciente de Northwestern Now :

“La luz que observamos desde cuásares distantes se alimenta cuando el gas cae en agujeros negros supermasivos y se calienta en el proceso. Nuestras simulaciones muestran que las estructuras de las galaxias, como los brazos espirales, utilizan fuerzas gravitacionales para “frenar” el gas que, de otro modo, orbitaría los centros de las galaxias para siempre. Este mecanismo de ruptura permite que el gas caiga en su lugar en agujeros negros y los frenos gravitacionales, o torsiones, son lo suficientemente fuertes como para explicar los cuásares que observamos “.

La nueva simulación ofrece una resolución de modelo mucho mayor y permitió al equipo de investigación simular el flujo de gas a través de la Vía Láctea con más de 1000 veces más precisión. Si bien las simulaciones anteriores han podido modelar el crecimiento de los agujeros negros, esta es la primera lo suficientemente poderosa como para explicar de manera integral las numerosas fuerzas y factores que forman parte de la evolución de las SMBH. Como explicó Faucher-Giguère :

“La mera existencia de agujeros negros supermasivos es bastante sorprendente, pero no hay consenso sobre cómo se formaron. La razón por la que los agujeros negros supermasivos son tan difíciles de explicar es que su formación requiere meter una gran cantidad de materia en un espacio diminuto. ¿Cómo se las arregla el universo para hacer eso? Hasta ahora, los teóricos desarrollaron explicaciones que se basaban en unir diferentes ideas sobre cómo la materia en las galaxias se apiña en la millonésima parte más interna del tamaño de una galaxia ”.

Con estas nuevas simulaciones, los investigadores finalmente pueden modelar cómo sucede esto. Por ejemplo, los investigadores podrían obtener una nueva perspectiva sobre el origen del SMBH en el centro de la Vía Láctea (también conocido como Sagitario A * ) y el que está en el centro de la galaxia Virgo A Supergigante (Messier 87), que se convirtió en el primer agujero negro fotografiado por el Event Horizon Telescope (EHT) en 2019.

Además, estas simulaciones proporcionan una visión poco común de la naturaleza misteriosa de los quásares, que son luminosos hasta el punto de eclipsar galaxias enteras. En sus núcleos y alimentando su famosa luminosidad hay agujeros negros supermasivos de rápido crecimiento, cuyos orígenes aún no se comprenden bien. De cara al futuro, el equipo de investigación espera estudiar grandes poblaciones estadísticas de galaxias y sus SMBH para aprender más sobre cómo se forman y crecen en diversas condiciones.