El tamaño de un agujero negro revelado por su patrón de alimentación

Los patrones de alimentación de los agujeros negros ofrecen información sobre su tamaño, informan los investigadores. Un nuevo estudio reveló que el parpadeo en el brillo observado en la alimentación activa de los agujeros negros supermasivos está relacionado con su masa.

Los agujeros negros supermasivos son de millones a miles de millones de veces más masivos que el sol y, por lo general, residen en el centro de galaxias masivas. Cuando están inactivos y no se alimentan del gas y las estrellas que los rodean, los SMBH emiten muy poca luz; la única forma en que los astrónomos pueden detectarlos es a través de sus influencias gravitacionales en las estrellas y el gas en su vecindad. Sin embargo, en el universo temprano, cuando las SMBH estaban creciendo rápidamente, estaban alimentandose activamente, o acumulando, materiales a tasas intensas y emitiendo una enorme cantidad de radiación, a veces eclipsando a toda la galaxia en la que residen, dijeron los investigadores.

El nuevo estudio, dirigido por el  estudiante graduado de astronomía de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign  ,  Colin Burke,  y el profesor  Yue Shen , descubrieron una relación definitiva entre la masa de SMBH que se alimentan activamente y la escala de tiempo característica en el patrón de parpadeo de la luz. Los hallazgos fueron publicados en la revista Science.

La impresión de un artista de un disco de acrección que gira alrededor de un agujero negro supermasivo invisible. El proceso de acrección produce fluctuaciones aleatorias en la luminosidad del disco a lo largo del tiempo, un patrón que se encuentra relacionado con la masa del agujero negro en un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Gráfico cortesía de Mark A. Garlick / Simons Foundation

La luz observada de un SMBH en crecimiento no es constante. Debido a procesos físicos que aún no se comprenden, muestra un parpadeo omnipresente en escalas de tiempo que van desde horas hasta décadas. “Ha habido muchos estudios que exploraron las posibles relaciones del parpadeo observado y la masa del SMBH, pero los resultados no han sido concluyentes y, a veces, controvertidos”, dijo Burke.

El equipo compiló un gran conjunto de datos de SMBH que alimentan activamente para estudiar el patrón de variabilidad del parpadeo. Identificaron una escala de tiempo característica, sobre la cual cambia el patrón, que se correlaciona estrechamente con la masa del SMBH. Luego, los investigadores compararon los resultados con la acumulación de enanas blancas, los remanentes de estrellas como nuestro sol, y encontraron que se mantiene la misma relación escala de tiempo-masa, a pesar de que las enanas blancas son de millones a miles de millones de veces menos masivas que las SMBH.

Los parpadeos de luz son fluctuaciones aleatorias en el proceso de alimentación de un agujero negro, dijeron los investigadores. Los astrónomos pueden cuantificar este patrón de parpadeo midiendo el poder de la variabilidad en función de escalas de tiempo. Para acumular SMBH, el patrón de variabilidad cambia de escalas de tiempo cortas a escalas de tiempo largas. Esta transición del patrón de variabilidad ocurre en una escala de tiempo característica que es más larga para agujeros negros más masivos.

El equipo comparó la alimentación de un agujero negro con nuestra actividad de comer o beber al equiparar esta transición con un eructo humano. Los bebés eructan con frecuencia mientras beben leche, mientras que los adultos pueden contener el eructo durante más tiempo. Los agujeros negros hacen lo mismo mientras se alimentan, dijeron.

“Estos resultados sugieren que los procesos que impulsan el parpadeo durante la acreción son universales, ya sea que el objeto central sea un agujero negro supermasivo o una enana blanca mucho más liviana”, dijo Shen.

“El establecimiento firme de una conexión entre el parpadeo de luz observado y las propiedades fundamentales del acrector ciertamente nos ayudará a comprender mejor los procesos de acrección”, dijo Yan-Fei Jiang, investigador del Instituto Flatiron y coautor del estudio.

Los agujeros negros tienen un amplio espectro de masa y tamaño. Entre la población de agujeros negros de masa estelar, que pesan menos de varias decenas de veces la masa del sol, y las SMBH, existe una población de agujeros negros llamados agujeros negros de masa intermedia que pesan entre 100 y 100.000 veces la masa del sol.

Se espera que los IMBH (Intermediate Mass Black Hole) se formen en grandes cantidades a lo largo de la historia del universo, y pueden proporcionar las semillas necesarias para convertirse en SMBH más adelante. Sin embargo, observacionalmente, esta población de IMBH es sorprendentemente esquiva. Solo hay un IMBH indiscutiblemente confirmado que pesa unas 150 veces la masa del sol. Pero ese IMBH fue descubierto por casualidad por la radiación de ondas gravitacionales de la coalescencia de dos agujeros negros menos masivos.

“Ahora que existe una correlación entre el patrón de parpadeo y la masa del objeto de acrección central, podemos usarlo para predecir cómo se vería la señal de parpadeo de un IMBH”, dijo Burke.

Los astrónomos de todo el mundo están esperando el inicio oficial de una era de estudios masivos que monitorean el cielo dinámico y variable. El Observatorio Vera C.Rubin en Legacy Survey of Space and Time de Chile estudiará el cielo durante una década y recopilará datos de parpadeo de luz para miles de millones de objetos, a partir de fines de 2023.

“La extracción del conjunto de datos LSST para buscar patrones de parpadeo que sean consistentes con la acumulación de IMBH tiene el potencial de descubrir y comprender completamente esta misteriosa población de agujeros negros tan buscada”, dijo el coautor  Xin Liu , profesor de astronomía en la Universidad De Illions.

Fuente: Universidad de Illinois

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