Astrónomos revelan crecientes agujeros negros en galaxias en colisión
Mirando a través de las gruesas paredes de gas y polvo que rodean los desordenados núcleos de las galaxias que se fusionan, los astrónomos están obteniendo la mejor visión hasta la fecha de parejas cercanas de agujeros negros supermasivos a medida que avanzan hacia la coalescencia en mega agujeros negros.
Un equipo de investigadores dirigido por Michael Koss de Eureka Scientific Inc., en Kirkland, Washington, realizó el estudio más grande de los núcleos de las galaxias cercanas en luz infrarroja cercana, utilizando imágenes de alta resolución tomadas por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y el WM Keck Observatorio en Hawai. Las observaciones del Hubble representan más de 20 años de instantáneas de su vasto archivo.
"Ver los pares de núcleos de galaxias fusionadas asociados con estos enormes agujeros negros tan juntos fue bastante sorprendente", dijo Koss. "En nuestro estudio, vemos dos núcleos de galaxias justo cuando se tomaron las imágenes. No puedes discutirlo; es un resultado muy 'limpio', que no se basa en la interpretación".
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Estas imágenes revelan la etapa final de una
unión entre un par de núcleos galácticos en los núcleos desordenados de
galaxias en colisión. La imagen de la izquierda, tomada por Wide Field
Camera 3 del Hubble, muestra la galaxia fusionada NGC 6240. A la derecha se
muestra un primer plano de los dos núcleos brillantes de esta unión
galáctica. Esta vista, tomada en luz infrarroja, perfora la densa nube de
polvo y gas que encierra las dos galaxias en colisión y descubre los núcleos
activos. Los fuertes agujeros negros en estos núcleos están creciendo
rápidamente a medida que se alimentan del gas generado por la fusión de la
galaxia. El rápido crecimiento de los agujeros negros se produce durante
los últimos 10 millones a 20 millones de años de la fusión. Créditos: NASA, ESA
y M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)
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Las imágenes también proporcionan una vista previa de un fenómeno que debe haber sido más común en el universo temprano, cuando las fusiones de galaxias eran más frecuentes. Cuando las galaxias chocan, sus monstruos agujeros negros pueden desatar una energía poderosa en forma de ondas gravitacionales, el tipo de ondas en el espacio-tiempo que fueron recientemente detectadas por experimentos innovadores.
El nuevo estudio también ofrece una visión previa de lo que probablemente sucederá en nuestro propio patio cósmico, en varios miles de millones de años, cuando nuestra Vía Láctea se combine con la galaxia vecina de Andrómeda y sus respectivos agujeros negros centrales se aplasten.
"Las simulaciones por computadora de las rupturas de galaxias nos muestran que los agujeros negros crecen más rápido durante las etapas finales de las fusiones, cerca del momento en que los agujeros negros interactúan, y eso es lo que hemos encontrado en nuestra investigación", dijo la miembro del equipo del estudio Laura Blecha de la Universidad de Florida, en Gainesville. "El hecho de que los agujeros negros crezcan cada vez más rápido a medida que avanzan las fusiones nos dice que los encuentros con las galaxias son realmente importantes para nuestra comprensión de cómo estos objetos llegaron a ser tan monstruosamente grandes".
Una fusión de galaxias es un proceso lento que dura más de mil millones de años, mientras dos galaxias, bajo la inexorable fuerza de la gravedad, bailan entre sí antes de unirse finalmente. Las simulaciones revelan que las galaxias generan mucho gas y polvo cuando se someten a este choque de trenes a cámara lenta.
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Imágenes de otras cuatro galaxias en colisión,
junto con vistas en primer plano de sus núcleos coalescentes en los núcleos
brillantes, se muestran debajo de las instantáneas del Hubble de NGC 6240. La
imagen de la izquierda de cada par, que muestra las galaxias que se fusionan,
fue tomada por el Panoramic Survey Telescopio y Sistema de Respuesta Rápida
(Pan-STARRS). La imagen de la derecha, que muestra los núcleos brillantes,
fue tomada en luz casi infrarroja por el Observatorio WM Keck en Hawai,
utilizando ópticas adaptativas para agudizar la vista. Los núcleos en cada
una de las fotos infrarrojas del Observatorio Hubble y Keck están a solo unos
3.000 años luz de diferencia, un abrazo cercano en términos cósmicos. Si
hay pares de agujeros negros, es probable que se fusionen en los próximos 10
millones de años para formar un agujero negro más masivo. Estas
observaciones son parte de la encuesta más grande jamás realizada sobre los
núcleos de galaxias cercanas utilizando imágenes de alta resolución en luz
infrarroja cercana tomadas por los observatorios Hubble y Keck. La
distancia promedio de las galaxias de la encuesta es de 330 millones de años
luz de la Tierra. Créditos: NASA, ESA y M. Koss (Eureka Scientific,
Inc.); Observatorio WM Keck; Telescopio de reconocimiento panorámico
y sistema de respuesta rápida (Pan-STARRS)
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El material expulsado a menudo forma una cortina gruesa alrededor de los centros de las galaxias unidas, protegiéndolas de la luz visible. Parte del material también cae sobre los agujeros negros en los núcleos de las galaxias que se fusionan. Los agujeros negros crecen rápidamente a medida que se engullen con su alimento cósmico y, al ser comedores desordenados, hacen que el gas que se precipita brille intensamente. Este rápido crecimiento se produce durante los últimos 10 millones a 20 millones de años de la unión. Las imágenes del Hubble y del Observatorio Keck capturaron vistas en primer plano de esta etapa final, cuando los agujeros negros acumulados están a solo unos 3.000 años luz de diferencia, un roce cercano en términos cósmicos.
No es fácil encontrar núcleos de galaxias tan juntos. La mayoría de las observaciones anteriores de galaxias en colisión han atrapado los agujeros negros que se unen en las etapas iniciales cuando estaban cerca de 10 veces más lejos. La etapa tardía del proceso de fusión es tan difícil de alcanzar porque las galaxias interactivas están encerradas en denso polvo y gas y requieren observaciones de alta resolución en luz infrarroja que pueden ver a través de las nubes y localizar las ubicaciones de los dos núcleos fusionados.
El equipo principal buscó agujeros negros activos, ocultos visualmente, analizando el valor de 10 años de datos de rayos X del Burst Alert Telescope (BAT) a bordo del Neil Gehrels Swift Telescope de la NASA, un observatorio espacial de alta energía. "El gas que cae sobre los agujeros negros emite rayos X, y el brillo de los rayos X le indica qué tan rápido está creciendo el agujero negro", explicó Koss. "No sabía si encontraríamos fusiones ocultas, pero sospechamos, con base en simulaciones por computadora, que estarían en galaxias fuertemente envueltas. Por lo tanto, tratamos de mirar a través del polvo con las imágenes más nítidas posibles, con la esperanza de encontrar una fusión. agujeros negros."
Los investigadores revisaron el archivo del Hubble e identificaron las galaxias que se fusionaron en los datos de rayos X. Luego utilizaron la súper aguda visión del infrarrojo cercano del Observatorio Keck para observar una muestra más grande de los agujeros negros que producen rayos X que no se encuentran en el archivo del Hubble.
"La gente había realizado estudios para buscar estos agujeros negros de interacción cercana antes, pero lo que realmente permitió este estudio en particular fueron los rayos X que pueden atravesar el envoltorio de polvo", dijo Koss. "También miramos un poco más lejos en el universo para poder estudiar un mayor volumen de espacio, lo que nos da una mayor posibilidad de encontrar más agujeros negros luminosos y de rápido crecimiento".
El equipo se dirigió a galaxias con una distancia promedio de 330 millones de años luz de la Tierra. Muchas de las galaxias son similares en tamaño a las galaxias de la Vía Láctea y Andrómeda. El equipo analizó 96 galaxias del Observatorio Keck y 385 galaxias del archivo del Hubble encontradas en 38 programas diferentes de observación del Hubble. Las galaxias de muestra son representativas de lo que los astrónomos encontrarían al realizar un estudio de todo el cielo.
Para verificar sus resultados, el equipo de Koss comparó las galaxias del estudio con otras 176 galaxias del archivo del Hubble que carecen de agujeros negros de crecimiento activo. La comparación confirmó que los núcleos luminosos encontrados en el censo de los investigadores de galaxias con interacciones polvorientas son de hecho una firma de pares de agujeros negros en rápido crecimiento que se apuntan a una colisión.
Cuando los dos agujeros negros supermasivos en cada uno de estos sistemas finalmente se unan en millones de años, sus encuentros producirán fuertes ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales producidas por la colisión de dos agujeros negros de masa estelar ya han sido detectadas por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO). Los observatorios, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) basada en el espacio de la NASA / ESA, podrán detectar las ondas gravitacionales de baja frecuencia de las fusiones de agujeros negros supermasivos, que son un millón de veces más masivas que las detectadas por LIGO.
Los futuros telescopios infrarrojos, como el telescopio espacial James Webb planeado por la NASA y una nueva generación de telescopios gigantes en tierra, proporcionarán una mejor sonda de colisiones de galaxias polvorientas al medir las masas, la tasa de crecimiento y la dinámica de los pares cercanos de agujeros negros. El telescopio Webb también puede mirar en la luz del infrarrojo medio para descubrir más interacciones de galaxias tan encerradas en un gas espeso y polvo que incluso la luz del infrarrojo cercano no puede penetrarlas.
Los resultados del equipo se publicaron en línea en el número del 7 de noviembre de 2018 de la revista Nature .
El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, DC
Fuente: NASA/Goddard Space Flight Center
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