Esta imagen muestra la representación de un artista de las regiones internas de un cuásar impulsado por un agujero negro supermasivo en el centro. A medida que el disco de gas y polvo cae en el agujero negro, las altas temperaturas crean luz. Las diferencias en esta luz pueden ayudar a los astrónomos a medir la masa del agujero negro.
(Imagen: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / colaboración SDSS)
Los agujeros negros de los monstruos se esconden en los centros de la mayoría de las galaxias en el universo, y ahora, una nueva técnica está ayudando a los científicos a medir la masa de algunos de los agujeros negros más grandes del universo, incluso cuando se encuentran en los centros de muy débiles y distantes. galaxias El nuevo enfoque podría mejorar dramáticamente la comprensión de los científicos sobre cómo se forman y evolucionan estos gigantes, y cómo influyen en la evolución de las galaxias.
"Esta es la primera vez que medimos directamente masas para tantos agujeros negros supermasivos hasta ahora", dijo Catherine Grier, becaria postdoctoral en Penn State, en un comunicado de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier dirigió un proyecto para medir las masas de una gran cantidad de los llamados agujeros negros supermasivos utilizando datos SDSS. Informó los resultados el martes (9 de enero) en la reunión de la American Astronomical Society en National Harbor, Maryland.
"Estas nuevas mediciones, y mediciones futuras como estas, proporcionarán información vital para las personas que estudian cómo las galaxias crecen y evolucionan a lo largo del tiempo cósmico", dijo Grier. [Imágenes: agujeros negros del universo]
Agujeros negros de medición de masa
Basado en décadas de observaciones galácticas, los astrónomos ahora teorizan que el corazón de casi todas las galaxias grandes contiene un agujero negro supermasivo (SMBH). Estas monstruosas bestias pueden ser millones o miles de millones de veces más masivas que el sol de la Tierra. Los agujeros negros no irradian ni reflejan la luz, por lo que estos SMBH no se pueden ver directamente. Pero a medida que la gravedad de un SMBH atrae polvo y gas de la galaxia circundante, crea un disco giratorio de material que cae en el agujero negro. Ese material que cae se calienta y comienza a irradiar luz, haciendo que el agujero negro sea "visible" (aunque indirectamente). En algunos casos, la luz de estos discos se vuelve más brillante que todas las estrellas de la galaxia; Estas galaxias increíblemente brillantes se denominan núcleos galácticos activos (AGN). Los AGN más brillantes se llaman cuásares, que los astrónomos pueden ver en todo el universo visible; Indican la presencia de un agujero negro supermasivo, según el comunicado.
Los agujeros negros tienen solo tres propiedades medibles: masa, giro y carga, por lo que calcular la masa es una gran parte de la comprensión de un agujero negro individual. En las galaxias cercanas, los astrónomos pueden observar cómo se mueven grupos de estrellas y gases alrededor del centro galáctico y usar esos movimientos para deducir la masa del agujero negro central. Pero las galaxias distantes se encuentran tan lejos que los telescopios no pueden resolver las estrellas y las nubes de material alrededor del agujero negro, según el comunicado.
Una técnica conocida como mapeo de reverberación ha hecho posible que los astrónomos midan las masas de estos agujeros negros periféricos. Primero, los investigadores comparan el brillo del gas radiante en la región externa de la galaxia con el brillo del gas que se encuentra en la región interna de la galaxia. (Esta región interna, muy cerca del agujero negro, se conoce como región continua). El gas en la región del continuo afecta al gas que se mueve rápidamente más lejos. Sin embargo, la luz tarda en viajar hacia afuera, o reverberar, causando un retraso entre los cambios observados en la región interna y su efecto en la región externa. La medición del retraso revela qué tan lejos está el disco externo de gas del agujero negro. Junto con su velocidad de rotación alrededor de la galaxia, esto permite a los astrónomos medir la masa del SMBH, dijo Grier a Space.com en un correo electrónico.
Pero el proceso es dolorosamente lento. Para observar el efecto de reverberación, una galaxia individual debe estudiarse una y otra vez durante varios meses, mientras que los quásares distantes pueden tomar varios años de observaciones repetidas, dijeron los investigadores en el comunicado. En los últimos 20 años, los astrónomos han logrado utilizar la técnica de reverberación para solo alrededor de 60 SMBH en galaxias cercanas y un puñado de quásares distantes.
Como parte del Proyecto de mapeo de reverberación de SDSS, Grier y sus colegas han comenzado a mapear SMBH más rápido de lo que era posible anteriormente. La clave para este mapeo más rápido proviene del telescopio de visión amplia dedicado del proyecto, ubicado en el Observatorio Apache Point en Sunspot, Nuevo México, que puede recopilar datos en múltiples quásares al mismo tiempo, según Grier. Actualmente está observando un parche del cielo que contiene alrededor de 850 quásares.
Los investigadores observaron los cuásares con el Telescopio Canadá-Francia-Hawái en Hawai y el Telescopio Steok Observatory Bok en Arizona para calibrar sus mediciones de los objetos increíblemente débiles. En total, los investigadores ahora han medido los retrasos en el tiempo de reverberación de 44 quásares, y utilizaron esas mediciones para calcular masas de agujeros negros que van de 5 millones a 1.700 millones de veces la masa del sol de la Tierra, según el comunicado.
"Este es un gran paso adelante para la ciencia del quásar", dijo Aaron Barth, profesor de astronomía en la Universidad de California, Irvine, que no participó en la investigación del equipo. "Han demostrado por primera vez que estas mediciones difíciles pueden realizarse en modo de producción en masa".
Las nuevas mediciones aumentan el número total de mediciones de masa SMBH galácticas en aproximadamente dos tercios. Debido a que muchas de esas galaxias están muy lejos, las nuevas mediciones revelan masas SMBH desde más atrás en el tiempo, hasta cuando el universo tenía solo la mitad de su edad actual.
Al continuar observando los 850 quásares con el telescopio SDSS durante varios años, el equipo acumulará años de datos que les permitirán medir las masas de cuásares incluso más débiles, cuyos retrasos de tiempo más largos no se pueden medir con un solo año de datos.
"Obtener observaciones de los cuásares durante varios años es crucial para obtener buenas mediciones", dijo Yue Shen, profesor asistente de la Universidad de Illinois e investigador principal del Proyecto de Mapeo de Reverberación SDSS. "A medida que continuamos nuestro proyecto para monitorear más y más cuásares en los próximos años, podremos comprender mejor cómo crecen y evolucionan los agujeros negros supermasivos".
Después de que la cuarta fase actual del SDSS termine en 2020, comenzará la quinta fase, SDSS-V. SDSS-V presenta un nuevo programa llamado Black Hole Mapper, en el que los investigadores planean medir las masas SMBH en más de 1,000 cuásares, observando cuásares más débiles y más antiguos que cualquier proyecto de mapeo de reverberación que haya logrado jamás.
"El Black Hole Mapper nos permitirá pasar a la era del mapeo de reverberación de agujeros negros supermasivo en una verdadera escala industrial", dijo en el comunicado Niel Brandt, profesor de astronomía y astrofísica en Penn State y antiguo miembro del SDSS. "Aprenderemos más sobre estos objetos misteriosos que nunca antes".
