Apogeo de agujeros negros hace 1.200 millones de años

Apogeo de agujeros negros se produjo alrededor de hace 1.200 millones de años.
Apogeo de agujeros negros se produjo alrededor de hace 1.200 millones de años.

La mayoría de las galaxias en el Universo, incluyendo nuestra propia Vía Láctea, albergan un agujero negro supermasivo que varía en masa desde alrededor de 1 millón a cerca de 10.000 millones de veces el tamaño del Sol.

Para encontrarlos, los astrónomos buscan la enorme cantidad de radiación emitida por el gas que cae en tales objetos en el momento en que el agujero negro se activa, es decir, cuando consume materia.

Este gas que es consumido por los agujeros negros masivos se cree que es el medio por el cual crecen los agujeros negros.
Hagai Netzer, Benny Trakhtenbrot, y un equipo de astrónomos de la Universidad de Tel Aviv en Israel han determinado que la era del primer crecimiento rápido de la mayoría de los agujeros negros masivos se produjo cuando el Universo tenía sólo alrededor de 1.200 millones de años, no desde 2 a 4 mil millones años como se creía anteriormente, y están creciendo rápidamente.

Los más antiguos son los que crecen más rápido

La nueva investigación se basa en observaciones con algunos de los mayores telescopios terrestres del mundo: Gemini Norte en lo alto de Mauna Kea en Hawai, y el Very Large Telescope Array en Cerro Paranal en Chile.

Los datos obtenidos con la avanzada instrumentación de estos telescopios muestran que los agujeros negros que se activaron cuando el Universo tenía 1.200 millones de años son aproximadamente 10 veces más pequeños que la mayoría de los agujeros negros masivos que se ven más tarde.

Sin embargo, están creciendo mucho más rápido.

La velocidad de crecimiento medida permitió a los investigadores estimar lo que sucedió con estos objetos anteriormente, así como en los últimos tiempos.

El equipo descubrió que los primeros agujeros negros, los que iniciaron el proceso completo de crecimiento cuando el Universo tenía sólo varios cientos de millones de años, tenían masas de sólo 100 a 1.000 veces la masa del Sol.

Tales agujeros negros pueden estar relacionados con las primeras estrellas en el Universo. También encontraron que el período de crecimiento posterior de los objetos observados, después de los primeros 1.200 millones años, duró sólo 100 a 200 millones de años.

El nuevo estudio es la culminación de un proyecto de 7 años en la Universidad de Tel Aviv diseñado para seguir la evolución de los agujeros negros más masivos y compararlos con la evolución de las galaxias en las que estos objetos residen.

Los datos de un sondeo que está llevando a cabo el satélite Swift de la NASA han ayudado a astrónomos a solucionar un misterio de décadas acerca de por qué un pequeño porcentaje de agujeros negros emite cantidades tan enormes de energía.

Sólo alrededor de un 1% de agujeros negros supermasivos presentan este comportamiento.

Los nuevos hallazgos confirman que los agujeros negros se "encienden" cuando las galaxias chocan, y los datos pueden ofrecer una perpectiva sobre el futuro comportamiento del agujero negro en nuestra propia galaxia.

El estudio aparecerá en la publicación del 20 de junio de la revista The Astrophysical Journal Letters.

La intensa emisión de los centros galácticos, o núcleos, surge cerca de un agujero negro supermasivo que contiene entre un millón y mil millones de veces la masa del Sol.

Emitiendo tanto como 10 mil millones de veces la energía del Sol, algunos de estos núcleos galácticos activos (active galactic nuclei, AGN) son los objetos más luminosos en el Universo. Ellos incluyen quásares y blazars.

"La teoría ha demostrado que la violencia presente en las fusiones de galaxias puede alimentar al agujero negro del centro galáctico", dijo Michael Koss, autor principal del estudio y estudiante graduado de la Universidad de Maryland en College Park. "El estudio explica elegantemente cómo se enciende el agujero negro".

Hasta antes del arduo sondeo en rayos X de Swift, los astrónomos nunca podían estar seguros de haber contado la mayoría de los AGN. Las gruesas nubes de gas y polvo que rodean el agujero negro en una galaxia activa, pueden obstruir y bloquear la luz ultravioleta, óptica y de baja energía, o rayos X.

La radiación infrarroja del polvo caliente cerca del agujero negro puede pasar a través del material, pero puede ser confundido con las emisiones procedentes de las regiones de formación estelar de la galaxia. Los rayos X más fuertes pueden ayudar a los científicos a detectar directamente el energético agujero negro.

Desde 2004, el instrumento BAT (Burst Alert Telescope) a bordo del Swift ha estado trazando un mapa del cielo usando los rayos X duros.

"En la construcción de su exposición año tras año, el Sondeo de rayos X Duros de BAT es el censo más grande, más sensible y completo del cielo en estas energías", dijo Neil Gehrels, investigador principal de Swift en el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Greenbelt, Maryland.

El sondeo, que es sensible a AGN que se encuentran a 650 millones de años-luz de distancia, ha descubierto docenas de sistemas no conocidos previamente.

"El sondeo del instrumento BAT de Swift nos da un cuadro muy diferente de los AGN", dijo Koss.

El equipo encuentra que cerca de un cuarto de las galaxias detectadas por BAT están fusionándose o en pares cercanos. "Tal vez un 60 por ciento de estas galaxias se fusionarán por completo en los próximos mil millones de años. Creemos que tenemos la 'pistola humeante' para AGN provocados por fusión que las teorías han predicho".

Otros miembros del equipo de estudio incluyen a Richard Mushotzky y Sylvain Veilleux de la Universidad de Maryland y Lisa Winter del Centro de Astrofísica y Astronomía Espacial de la Universidad de Colorado en Boulder.

"Nunca hemos visto el comienzo de actividad de AGN tan claramente", dijo Joel Bregman, un astrónomo de la Universidad de Michigan, Ann Arbor, que no participó en el estudio. "El equipo de Swift debe estar identificando una etapa temprana del proceso con el Sondeo de rayos X Duros".

El siguiente video es una simulación de la colisión de dos galaxias espirales que abrigan gigantescos agujeros negros. La fusión agita el gas en ambas galaxias. El gas que cae "enciende" el agujero negro y crea un núcleo galáctico activo.

Los astrónomos que investigan por qué la radiación cósmica de fondo es mucho más brillante en longitudes de onda de radio de lo esperado, han identificado un posible culpable: los agujeros negros de espín rápido al inicio del proceso de formación galáctica. Los resultados fueron presentados por el Profesor Andy Lawrence en la Reunión Nacional de Astronomía de la RAS en Glasgow el 14 de abril.

En julio pasado, astrónomos estadounidenses anunciaron sorprendentes resultados procedentes de un experimento de globo de gran altura conocido como ARCADE-2, el cual había realizado cuidadosas medidas del cielo en longitudes de onda de radio.

La emisión de radio del fondo, que es el componente igualmente distribuido a lo largo de todo el cielo, era varias veces más brillante de lo que nadie había esperado.

Ahora, un equipo de astrónomos de California y Escocia, incluyendo a Jack Singal, Lukasz Stawarz, y Vahe Petrosian de la Universidad de Stanford, y Andy Lawrence de la Universidad de Edimburgo, creen tener una explicación para esta sorpresa.

"Observamos muchas formas distintas en las que esto podía suceder -un mar cósmico de partículas relativistas, gigantescas fuentes difusas de radio, estrellas lejanas en explosión- y encontramos que todas ellas fallaban varias pruebas.

Entonces nos dimos cuenta de que podríamos explicar las emisiones añadiendo la tenue emisión de cada galaxia común del universo observable.

Esto fue un resultado sorprendente, ya que implicaba que la emisión débil de una gran población de fuentes comunes pero lejanas, acumulaban más emisiones que las de las fuentes más luminosas pero más raras, cuando lo esperado era lo contrario", dice el Profesor Lawrence, del Instituto de Astronomía en la Universidad de Edimburgo.

El fondo parece ser la suma de las emisiones de radio de todas las galaxias comunes, tanto lejanas como cercanas, pero debido a que hay tantas alejadas, éstas son las que predominan. Se sumarían hasta un número infinito si no fuese por el hecho de que el Universo se expande y tiene una edad finita.

Habiendo encontrado una solución, el equipo se enfrentó a otro difícil problema. En el universo local, la mayor parte de las emisiones de radio están asociadas con restos de supernovas en las regiones de formación estelar.

Las emisiones de radio parecen estar estrechamente vinculadas con las emisiones infrarrojas que también producen las regiones de formación estelar. El fondo infrarrojo del cielo debería, por tanto, encajar con el fondo de radio. No obstante las medidas del fondo infrarrojo predicen un fondo de radio entre tres y diez veces menor que las observaciones de ARCADE-2.

"De alguna forma, en el universo lejano, se rompió la estrecha conexión que vemos entre las emisiones infrarrojas y de radio.

Las galaxias lejanas en los inicios de la historia del Universo deben producir emisiones de radio extra.

Esto puede ser debido a que el proceso de formación estelar funciona de forma distinta en los inicios del Universo.

No obstante, creemos que podría haber una época anterior de emisiones de chorros de radio procedentes de los agujeros negros de espín rápido en el centro de muchas galaxias comunes, los cuales se apagaron posteriormente", dice el Profesor Lawrence.

Los astrónomos creen que cada galaxia probablemente contiene un agujero negro masivo.

Los agujeros negros de espín rápido pueden emitir energía en forma de chorros de radio.

"Una posibilidad es que cuando estos agujeros negros se formaron, normalmente tenían un espín rápido, pero con el tiempo, conforme el material de acreción trataba de hacer girar el agujero negro en muchas direcciones distintas, terminaba sin espín neto de media y la fuente de radio desaparecía", dice el Profesor Lawrence.

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