Agujeros negros supermasivos con un peso de millones o incluso miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, son todavía sólo una pequeña fracción de la masa de las galaxias que habitan. Pero en algunos casos, el agujero negro central es la cola que mueve al perro. Parece que los agujeros negros pueden funcionar calientes o fríos cuando se trata de mejorar o sofocar el nacimiento de estrellas dentro de un cúmulo de galaxias.

Típicamente, agujeros negros gigantes, bombeando energía a través de chorros, mantener el gas interestelar demasiado caliente para condensarse y formar estrellas. Ahora, los astrónomos han encontrado un cúmulo de galaxias, llamado el cúmulo de Phoenix, donde las estrellas se forman a un ritmo vertiginoso debido a la influencia del agujero negro. Este turbo impulso estelar aparentemente está vinculado a chorros menos energéticos de un agujero negro central que no bombea la temperatura del gas. En lugar de, el gas pierde energía a medida que brilla en los rayos X. El gas se enfría hasta donde puede formar una gran cantidad de estrellas a un ritmo impresionante. Donde nuestra Vía Láctea forma una estrella por año en promedio, estrellas recién nacidas están saliendo de este gas frío a un ritmo de unas 500 masas solares por año en el cúmulo de Phoenix.

Desentrañar este misterio requirió el poder combinado del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, y el observatorio de radio Very Large Array (VLA) cerca de Socorro, Nuevo Mexico.

Los datos de radio del VLA revelan chorros que salen disparados desde las proximidades del agujero negro central. Estos chorros inflaron burbujas en el gas caliente que Chandra detecta en los rayos X. El Hubble resuelve filamentos de color azul brillante de estrellas recién nacidas en cavidades entre el chorro de agua caliente y las nubes de gas. A medida que el agujero negro se ha vuelto más masivo y más poderoso, su influencia ha ido en aumento.

Los astrónomos han confirmado el primer ejemplo de un cúmulo de galaxias en el que están naciendo un gran número de estrellas en su núcleo. Utilizando datos de los telescopios espaciales de la NASA y un radioobservatorio de la National Science Foundation, Los investigadores han recopilado nuevos detalles sobre cómo los agujeros negros más masivos del universo afectan a sus galaxias anfitrionas.

Los cúmulos de galaxias son las estructuras más grandes del cosmos que se mantienen unidas por la gravedad. que consta de cientos o miles de galaxias incrustadas en gas caliente, así como materia oscura invisible. Los agujeros negros supermasivos más grandes conocidos se encuentran en galaxias en el centro de estos cúmulos.

Por décadas, Los astrónomos han buscado cúmulos de galaxias que contengan ricos viveros de estrellas en sus galaxias centrales. En lugar de, encontraron poderosa, agujeros negros gigantes que bombean energía a través de chorros de partículas de alta energía y mantienen el gas demasiado caliente para formar muchas estrellas.

Ahora, los científicos tienen evidencia convincente de un cúmulo de galaxias donde las estrellas se forman a un ritmo vertiginoso, aparentemente vinculado a un agujero negro menos efectivo en su centro. En este grupo único, en cambio, los chorros del agujero negro central parecen estar ayudando en la formación de estrellas. Los investigadores utilizaron nuevos datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble, y Karl Jansky Very Large Array (VLA) de la NSF para aprovechar las observaciones anteriores de este cúmulo.

"Este es un fenómeno que los astrónomos han estado tratando de encontrar durante mucho tiempo, "dijo Michael McDonald, astrónomo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), quien dirigió el estudio. "Este grupo demuestra que, en ciertas ocasiones, la salida energética de un agujero negro puede mejorar el enfriamiento, llevando a consecuencias dramáticas ".

El agujero negro está en el centro de un cúmulo de galaxias llamado Cúmulo Fénix, ubicado a unos 5,8 mil millones de años luz de la Tierra en la Constelación de Fénix. La gran galaxia que alberga el agujero negro está rodeada de gas caliente con temperaturas de millones de grados. La masa de este gas, equivalente a billones de soles, es varias veces mayor que la masa combinada de todas las galaxias del cúmulo.

Este gas caliente pierde energía cuando brilla en rayos X, lo que debería hacer que se enfríe hasta que pueda formar una gran cantidad de estrellas. Sin embargo, en todos los demás cúmulos de galaxias observados, ráfagas de energía impulsadas por un agujero negro de este tipo evitan que la mayor parte del gas caliente se enfríe, impidiendo el nacimiento de estrellas generalizado.

"Imagínese tener un aire acondicionado en su casa en un día caluroso, pero luego encender un fuego de leña. Tu sala de estar no puede enfriarse adecuadamente hasta que apagas el fuego, "dijo el coautor Brian McNamara de la Universidad de Waterloo en Canadá." De manera similar, cuando la capacidad de calentamiento de un agujero negro se apaga en un cúmulo de galaxias, entonces el gas se puede enfriar ".

La evidencia de la formación rápida de estrellas en el Cúmulo Phoenix fue reportada previamente en 2012 por un equipo dirigido por McDonald. Pero se requirieron observaciones más profundas para conocer detalles sobre el papel del agujero negro central en el renacimiento de las estrellas en la galaxia central. y cómo eso podría cambiar en el futuro.

Combinando observaciones largas en rayos X, óptico, y luz de radio, los investigadores obtuvieron una mejora diez veces mayor en la calidad de los datos en comparación con las observaciones anteriores. Los nuevos datos de Chandra revelan que el gas caliente se está enfriando casi al ritmo esperado en ausencia de energía inyectada por un agujero negro. Los nuevos datos del Hubble muestran que alrededor de 10 mil millones de masas solares de gas frío están ubicadas a lo largo de los filamentos que conducen hacia el agujero negro. y las estrellas jóvenes se están formando a partir de este gas frío a un ritmo de unas 500 masas solares por año. En comparación, las estrellas se están formando en la Vía Láctea a una velocidad de aproximadamente una masa solar por año.

Los datos de radio del VLA revelan chorros que salen disparados desde las proximidades del agujero negro central. Estos chorros probablemente inflaron burbujas en el gas caliente que se detectan en los datos de Chandra. Tanto los chorros como las burbujas son evidencia del rápido crecimiento pasado del agujero negro. Al principio de este crecimiento, el agujero negro puede haber sido de tamaño insuficiente, en comparación con la masa de su galaxia anfitriona, lo que permitiría que el enfriamiento rápido no se controle.

"En el pasado, Los estallidos del agujero negro de tamaño insuficiente pueden haber sido simplemente demasiado débiles para calentar su entorno, permitir que el gas caliente comience a enfriarse, "dijo el coautor Matthew Bayliss, quien fue investigador en el MIT durante este estudio, pero recientemente se unió a la facultad de la Universidad de Cincinnati. "Pero a medida que el agujero negro se ha vuelto más masivo y más poderoso, su influencia ha ido en aumento ".

El enfriamiento puede continuar cuando el gas se aleja del centro del cúmulo por los estallidos del agujero negro. A una mayor distancia de la influencia de calentamiento del agujero negro, el gas se enfría más rápido de lo que puede retroceder hacia el centro del grupo. Este escenario explica la observación de que el gas frío se encuentra alrededor de los bordes de las cavidades, basado en una comparación de los datos de Chandra y Hubble.

Eventualmente, el estallido generará suficiente turbulencia, ondas sonoras y ondas de choque (similares a las explosiones sónicas producidas por aviones supersónicos) para proporcionar fuentes de calor y evitar un mayor enfriamiento. Esto continuará hasta que cese el estallido y pueda reiniciarse la acumulación de gas frío. Entonces puede repetirse todo el ciclo.

"Estos resultados muestran que el agujero negro ha estado ayudando temporalmente en la formación de estrellas, pero cuando se fortalezca, sus efectos comenzarán a imitar los de los agujeros negros en otros grupos, sofocando más nacimiento de estrellas, "dijo el coautor Mark Voit de la Universidad Estatal de Michigan en East Lansing, Michigan.

La falta de objetos similares muestra que los cúmulos y sus enormes agujeros negros atraviesan la fase de formación rápida de estrellas con relativa rapidez.

Un artículo que describe estos resultados se publicó en un número reciente de The Diario astrofísico , y una preimpresión está disponible en línea.