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    Faltan semillas de agujeros negros en un jardín cósmico

    La concepción de este artista ilustra uno de los agujeros negros supermasivos más primitivos conocidos (punto negro central) en el núcleo de un joven, galaxia rica en estrellas. Crédito:NASA / JPL-Caltech

    En el vasto jardín del universo, los agujeros negros más pesados ​​crecieron a partir de semillas. Alimentado por el gas y el polvo que consumieron, o fusionándose con otros objetos densos, estas semillas crecieron en tamaño y peso para formar los centros de las galaxias, como nuestra propia Vía Láctea. Pero a diferencia del reino de las plantas, las semillas de los agujeros negros gigantes deben haber sido agujeros negros, también. Y nadie ha encontrado estas semillas, todavía.

    Una idea es que los agujeros negros supermasivos, el equivalente de cientos de miles a miles de millones de soles en masa, crecieron a partir de una población de agujeros negros más pequeños que nunca se ha visto. Este escurridizo grupo, los "agujeros negros de masa intermedia, "pesaría entre 100 y 100, 000 soles. Entre los cientos de agujeros negros encontrados hasta ahora, ha habido muchos relativamente pequeños, pero ninguno seguro en el "desierto" de rango de masa intermedio.

    Los científicos están trabajando con potentes telescopios espaciales de la NASA, así como otros observatorios, para rastrear objetos lejanos que se ajusten a la descripción de estas entidades exóticas. Han encontrado docenas de posibles candidatos y están trabajando para confirmarlos como agujeros negros. Pero incluso si lo hacen que abre un misterio completamente nuevo:¿Cómo se formaron los agujeros negros de masa intermedia?

    "¿Qué es fascinante, y por qué la gente ha pasado tanto tiempo tratando de encontrar estos agujeros negros de masa intermedia, se debe a que arroja luz sobre los procesos que ocurrieron en el universo temprano:cuáles eran las masas de agujeros negros reliquia, o nuevos mecanismos de formación de agujeros negros en los que aún no hemos pensado, "dijo Fiona Harrison, profesor de física en Caltech en Pasadena, California, e investigador principal de la misión NuSTAR de la NASA, que es administrado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro.

    Agujero negro 101

    Un agujero negro es un objeto extremadamente denso en el espacio del que no puede escapar la luz. Cuando el material cae en un agujero negro, no tiene salida. Y cuanto más come un agujero negro, cuanto más crece tanto en masa como en tamaño.

    Los agujeros negros más pequeños se denominan "masa estelar, "con entre 1 y 100 veces la masa del Sol. Se forman cuando las estrellas explotan en procesos violentos llamados supernovas.

    Agujeros negros supermasivos por otra parte, son los anclajes centrales de las grandes galaxias, por ejemplo, nuestro Sol y todas las demás estrellas de la Vía Láctea orbitan alrededor de un agujero negro llamado Sagitario A * que pesa alrededor de 4,1 millones de masas solares. Un agujero negro aún más pesado, con la friolera de 6.500 millones de masas solares, sirve como pieza central de la galaxia Messier 87 (M87). El agujero negro supermasivo de M87 aparece en la famosa imagen del Event Horizon Telescope, mostrando un agujero negro y su "sombra" por primera vez. Esta sombra es causada por el horizonte de eventos, el punto de no retorno del agujero negro, doblando y capturando la luz con su fuerte gravedad.

    Los agujeros negros supermasivos tienden a tener discos de material a su alrededor, llamados "discos de acreción, "hecho de extremadamente caliente, partículas de alta energía que brillan intensamente a medida que se acercan al horizonte de sucesos, la región de no retorno del agujero negro. Aquellos que hacen que sus discos brillen intensamente porque comen mucho se denominan "núcleos galácticos activos".

    La densidad de materia necesaria para crear un agujero negro es alucinante. Para hacer un agujero negro 50 veces la masa del Sol, tendrías que empaquetar el equivalente a 50 soles en una bola de menos de 200 millas (300 kilómetros) de ancho. Pero en el caso de la pieza central de M87, es como si 6.500 millones de soles estuvieran comprimidos en una bola más ancha que la órbita de Plutón. En ambos casos, la densidad es tan alta que el material original debe colapsar en una singularidad:un desgarro en el tejido del espacio-tiempo.

    La clave del misterio de los orígenes de los agujeros negros es el límite físico sobre la rapidez con la que pueden crecer. Incluso los monstruos gigantes en el centro de las galaxias tienen limitaciones en sus frenéticas alimentaciones, porque una cierta cantidad de material es empujada hacia atrás por la radiación de alta energía proveniente de partículas calientes aceleradas cerca del horizonte de eventos. Con solo comer el material circundante, un agujero negro de baja masa solo podría duplicar su masa en 30 millones de años, por ejemplo.

    "Si parte de una masa de 50 masas solares, simplemente no se puede hacer crecer a mil millones de masas solares durante mil millones de años, "dijo Igor Chilingarian, un astrofísico en el Observatorio Astrofísico Smithsonian en Cambridge, Massachusetts, y Universidad Estatal de Moscú. Pero "como sabemos, hay agujeros negros supermasivos que existen menos de mil millones de años después de la formación del universo ".

    Cómo hacer un agujero negro que no puedes ver

    Temprano en la historia del universo, la semilla de un agujero negro de masa intermedia podría haberse formado a partir del colapso de un gran, nube de gas densa o de una explosión de supernova. Las primeras estrellas que explotaron en nuestro universo tenían hidrógeno puro y helio en sus capas externas, con elementos más pesados ​​concentrados en el núcleo. Esta es una receta para un agujero negro mucho más masivo que las estrellas modernas en explosión, que están "contaminados" con elementos pesados ​​en sus capas exteriores y por lo tanto pierden más masa a través de sus vientos estelares.

    "Si estamos formando agujeros negros con 100 masas solares al principio del universo, algunos de ellos deberían fusionarse, pero, básicamente, debería producir una amplia gama de masas, y algunos de ellos todavía deberían estar presentes, "dijo Tod Strohmayer, astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Por lo que entonces, ¿Dónde están si se formaron? "

    Una pista de que todavía podrían existir agujeros negros de masa intermedia provino del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation, una colaboración entre Caltech y el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Detectores LIGO, combinado con una instalación europea en Italia llamada Virgo, están generando muchas fusiones diferentes de agujeros negros a través de ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.

    Esta imagen, tomada con el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral, muestra la región central de la galaxia NGC1313. Esta galaxia es el hogar de la fuente de rayos X ultraluminosa NCG1313X-1, que los astrónomos ahora han determinado que es un candidato a agujero negro de masa intermedia. NGC1313 es 50, 000 años luz de diámetro y se encuentra a unos 14 millones de años luz de la Vía Láctea en la constelación meridional Retículo. Crédito:ESO

    En 2016, LIGO anunció uno de los descubrimientos científicos más importantes del último medio siglo:la primera detección de ondas gravitacionales. Específicamente, los detectores con sede en Livingston, Luisiana, y Hanford, Washington, recogió la señal de dos agujeros negros fusionándose. Las masas de estos agujeros negros, 29 y 36 veces la masa del Sol, respectivamente, científicos sorprendidos. Si bien estos todavía no son técnicamente de masa intermedia, son lo suficientemente grandes como para levantar las cejas.

    Es posible que todos los agujeros negros de masa intermedia ya se hayan fusionado, pero también esa tecnología no se ha ajustado para localizarlos.

    Entonces, ¿dónde están?

    Buscar agujeros negros en el desierto de masa intermedia es complicado porque los agujeros negros en sí mismos no emiten luz. Sin embargo, los científicos pueden buscar señales reveladoras específicas utilizando sofisticados telescopios y otros instrumentos. Por ejemplo, porque el flujo de materia hacia un agujero negro no es constante, la aglomeración del material consumido provoca ciertas variaciones en la producción de luz en el medio ambiente. Estos cambios se pueden ver más rápidamente en los agujeros negros más pequeños que en los más grandes.

    "En una escala de tiempo, puede hacer la campaña de observación que para los núcleos galácticos activos clásicos lleva meses, "Dijo Chilingarian.

    El candidato de agujero negro de masa intermedia más prometedor se llama HLX-1, con una masa de unos 20, 000 veces la del Sol. HLX-1 son las siglas de "Hyper-Luminous X-ray Source 1, "y su producción de energía es mucho mayor que la de las estrellas similares al Sol. Fue descubierto en 2009 por el astrónomo australiano Sean Farrell, utilizando el telescopio espacial de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea. Un estudio de 2012 que utilizó los telescopios espaciales Hubble y Swift de la NASA encontró sugerencias de un cúmulo de estrellas azules jóvenes que orbitaban este objeto. Es posible que alguna vez haya sido el centro de una galaxia enana que fue tragada por la galaxia más grande ESO 243-49. Muchos científicos consideran al HLX-1 como un agujero negro de masa intermedia probado, Dijo Harrison.

    "Los colores de la luz de rayos X que emite, y la forma en que se comporta, es muy similar a un agujero negro, ", Dijo Harrison." Mucha gente, incluido mi grupo, tienen programas para encontrar cosas que se parecen a HLX-1, pero hasta ahora ninguno es consistente. Pero la caza continúa ".

    Los objetos menos brillantes que podrían ser agujeros negros de masa intermedia se denominan fuentes de rayos X ultraluminosas. o ULX. Un ULX parpadeante llamado NGC 5408 X-1 ha sido especialmente intrigante para los científicos que buscan agujeros negros de masa intermedia. Pero los observatorios de rayos X NuSTAR y Chandra de la NASA asombraron a los científicos al revelar que muchos objetos ULX no son agujeros negros. En lugar de, son púlsares, remanentes estelares extremadamente densos que parecen latir como faros.

    M82 X-1, la fuente de rayos X más brillante de la galaxia M82, es otro objeto muy brillante que parece parpadear en escalas de tiempo consistentes con un agujero negro de masa intermedia. Estos cambios en el brillo están relacionados con la masa del agujero negro y son causados ​​por material en órbita cerca de la región interna del disco de acreción. Un estudio de 2014 analizó variaciones específicas en la luz de rayos X y estimó que M82 X-1 tiene una masa de aproximadamente 400 soles. Los científicos utilizaron datos de archivo del satélite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) de la NASA para estudiar estas variaciones de brillo de los rayos X.

    Más reciente, Los científicos investigaron un grupo más grande de posibles agujeros negros de masa intermedia. En 2018, Chilingarian y sus colegas describieron una muestra de 10 candidatos volviendo a analizar los datos ópticos del Sloan Digital Sky Survey y comparando las perspectivas iniciales con los datos de rayos X de Chandra y XMM-Newton. Ahora están haciendo un seguimiento con telescopios terrestres en Chile y Arizona. Mar Mezcua, del Instituto de Ciencias Espaciales de España, dirigió un estudio separado de 2018, también usando datos de Chandra, encontrando 40 agujeros negros en crecimiento en galaxias enanas que podrían estar en ese rango especial de masa intermedia. Pero Mezcua y sus colaboradores argumentan que estos agujeros negros se formaron originalmente en el colapso de nubes gigantes en lugar de originarse en explosiones estelares.

    Que sigue

    Las galaxias enanas son lugares interesantes para seguir buscando porque, En teoria, Los sistemas estelares más pequeños podrían albergar agujeros negros de masa mucho menor que los que se encuentran en los centros de galaxias más grandes como la nuestra.

    Los científicos también están buscando cúmulos globulares (concentraciones esféricas de estrellas ubicadas en las afueras de la Vía Láctea y otras galaxias) por la misma razón.

    "Podría ser que haya agujeros negros como ese, en galaxias como esa, pero si no acumulan mucha materia, puede ser difícil verlos, "Dijo Strohmayer.

    Los cazadores de agujeros negros de masa intermedia esperan ansiosos el lanzamiento del telescopio espacial James Webb de la NASA. que se remonta a los albores de las primeras galaxias. Webb ayudará a los astrónomos a descubrir qué fue primero, la galaxia o su agujero negro central, y cómo se pudo haber ensamblado ese agujero negro. En combinación con observaciones de rayos X, Los datos infrarrojos de Webb serán importantes para identificar algunos de los candidatos a agujeros negros más antiguos.

    Otra nueva herramienta lanzada en julio por la agencia espacial rusa Roscosmos se llama Spectrum X-Gamma, una nave espacial que escaneará el cielo en rayos X, y lleva un instrumento con espejos desarrollado y construido con el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama. La información de ondas gravitacionales que fluye de la colaboración LIGO-Virgo también ayudará en la búsqueda, al igual que la misión de Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) planificada por la Agencia Espacial Europea.

    Esta flota de nuevos instrumentos y tecnologías, además de los actuales, ayudará a los astrónomos mientras continúan recorriendo el jardín cósmico en busca de semillas de agujeros negros, y galaxias como la nuestra.


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