Esta ilustración muestra un homicidio cósmico en acción. Una estrella rebelde está siendo destrozada por la intensa atracción gravitacional de un agujero negro que contiene decenas de miles de masas solares. Los restos estelares están formando un disco de acreción alrededor del agujero negro. Las llamaradas de luz de rayos X del disco de gas sobrecalentado alertaron a los astrónomos sobre la ubicación del agujero negro; de lo contrario, acechaba desconocido en la oscuridad. El objeto escurridizo se clasifica como un agujero negro de masa intermedia (IMBH), ya que es mucho menos masivo que los monstruosos agujeros negros que habitan en los centros de las galaxias. Por lo tanto, Los IMBH son en su mayoría inactivos porque no extraen tanto material, y son difíciles de encontrar. Las observaciones del Hubble proporcionan evidencia de que el IMBH habita dentro de un denso cúmulo de estrellas. El cúmulo en sí mismo puede ser el núcleo despojado de una galaxia enana. Crédito:NASA, ESA y D. Player (STScI)
Los astrónomos han encontrado la mejor evidencia del autor de un homicidio cósmico:un agujero negro de una clase elusiva conocida como "masa intermedia, "que traicionó su existencia al destrozar una estrella rebelde que pasó demasiado cerca.
Con un peso de unos 50, 000 veces la masa de nuestro Sol, el agujero negro es más pequeño que los agujeros negros supermasivos (en millones o miles de millones de masas solares) que se encuentran en los núcleos de las grandes galaxias, pero más grandes que los agujeros negros de masa estelar formados por el colapso de una estrella masiva.
Estos llamados agujeros negros de masa intermedia (IMBH) son un "eslabón perdido" buscado durante mucho tiempo en la evolución de los agujeros negros. Aunque ha habido algunos otros candidatos de IMBH, Los investigadores consideran que estas nuevas observaciones son la evidencia más sólida hasta ahora de agujeros negros de tamaño mediano en el universo.
Se necesitó el poder combinado de dos observatorios de rayos X y la aguda visión del Telescopio Espacial Hubble de la NASA para localizar a la bestia cósmica.
"Los agujeros negros de masa intermedia son objetos muy esquivos, por lo que es fundamental considerar cuidadosamente y descartar explicaciones alternativas para cada candidato. Eso es lo que el Hubble nos ha permitido hacer por nuestro candidato, "dijo Dacheng Lin de la Universidad de New Hampshire, investigador principal del estudio. Los resultados se publican el 31 de marzo de 2020, en el Cartas de revistas astrofísicas .
La historia del descubrimiento se lee como una historia de Sherlock Holmes, involucrando la meticulosa construcción de casos paso a paso necesaria para atrapar al culpable.
Lin y su equipo utilizaron el Hubble para seguir las pistas del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y la Misión de Espejos Múltiples de Rayos X de la Agencia Espacial Europea (ESA) (XMM-Newton). En 2006, estos satélites detectaron una potente llamarada de rayos X, pero no pudieron determinar si se originó dentro o fuera de nuestra galaxia. Los investigadores lo atribuyeron a una estrella que se rompió después de acercarse demasiado a un objeto compacto gravitacionalmente poderoso. como un agujero negro.
Asombrosamente, la fuente de rayos X, llamado 3XMM J215022.4? 055108, no estaba ubicado en el centro de una galaxia, donde normalmente residirían agujeros negros masivos. Esto generó esperanzas de que un IMBH fuera el culpable, pero primero había que descartar otra posible fuente de la llamarada de rayos X:una estrella de neutrones en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, enfriar después de haber sido calentado a una temperatura muy alta. Las estrellas de neutrones son los restos aplastados de una estrella que explotó.
Hubble apuntó a la fuente de rayos X para determinar su ubicación precisa. Profundo, Las imágenes de alta resolución proporcionan una fuerte evidencia de que los rayos X no emanaron de una fuente aislada en nuestra galaxia, pero en cambio en un distante, denso cúmulo de estrellas en las afueras de otra galaxia, justo el tipo de lugar que los astrónomos esperaban encontrar un IMBH. Investigaciones anteriores del Hubble han demostrado que la masa de un agujero negro en el centro de una galaxia es proporcional al abultamiento central de esa galaxia anfitriona. En otras palabras, cuanto más masiva es la galaxia, cuanto más masivo es su agujero negro. Por lo tanto, el cúmulo de estrellas que alberga 3XMM J215022.4? 055108 puede ser el núcleo despojado de una galaxia enana de menor masa que ha sido interrumpida gravitacionalmente y por mareas por sus interacciones cercanas con su actual galaxia anfitriona más grande.
Esta imagen del telescopio espacial Hubble identificó la ubicación de un agujero negro de masa intermedia, con un peso de 50, 000 veces la masa de nuestro Sol (haciéndolo mucho más pequeño que los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias). El agujero negro, llamado 3XMM J215022.4? 055108, se indica con el círculo blanco. El escurridizo tipo de agujero negro se identificó por primera vez en una ráfaga de rayos X reveladores emitidos por gas caliente de una estrella cuando fue capturada y destruida por el agujero negro. Se necesitaba el Hubble para identificar la ubicación del agujero negro en luz visible. Profundo del Hubble, Las imágenes de alta resolución muestran que el agujero negro reside dentro de un denso cúmulo de estrellas que está mucho más allá de nuestra galaxia, la Vía Láctea. El cúmulo de estrellas está cerca de la galaxia en el centro de la imagen. Galaxias de fondo de aspecto mucho más pequeño aparecen esparcidas alrededor de la imagen, incluyendo una espiral frontal justo encima de la galaxia central en primer plano. Esta foto fue tomada con la Cámara avanzada para encuestas del Hubble. Crédito:NASA, ESA y D. Lin (Universidad de New Hampshire)
Los IMBH han sido particularmente difíciles de encontrar porque son más pequeños y menos activos que los agujeros negros supermasivos; no tienen fuentes de combustible fácilmente disponibles, ni una atracción gravitacional tan fuerte para dibujar estrellas y otro material cósmico que produciría destellos de rayos X reveladores. Los astrónomos esencialmente tienen que atrapar a un IMBH con las manos en la masa en el acto de devorar una estrella. Lin y sus colegas revisaron el archivo de datos de XMM-Newton, buscando cientos de miles de observaciones para encontrar un candidato IMBH.
The X-ray glow from the shredded star allowed astronomers to estimate the black hole's mass of 50, 000 solar masses. The mass of the IMBH was estimated based on both X-ray luminosity and the spectral shape. "This is much more reliable than using X-ray luminosity alone as typically done before for previous IMBH candidates, " said Lin. "The reason why we can use the spectral fits to estimate the IMBH mass for our object is that its spectral evolution showed that it has been in the thermal spectral state, a state commonly seen and well understood in accreting stellar-mass black holes."
This artist's impression depicts a star being torn apart by an intermediate-mass black hole (IMBH), surrounded by an accretion disc. This thin, rotating disc of material consists of the leftovers of a star which was ripped apart by the tidal forces of the black hole. Credit:ESA/Hubble, M. Kornmesser
This object isn't the first to be considered a likely candidate for an intermediate-mass black hole. In 2009 Hubble teamed up with NASA's Swift observatory and ESA's XMM-Newton to identify what is interpreted as an IMBH, called HLX-1, located towards the edge of the galaxy ESO 243-49. It too is in the center of a young, massive cluster of blue stars that may be a stripped-down dwarf galaxy core. The X-rays come from a hot accretion disk around the black hole. "The main difference is that our object is tearing a star apart, providing strong evidence that it is a massive black hole, instead of a stellar-mass black hole as people often worry about for previous candidates including HLX-1, " Lin said.
Finding this IMBH opens the door to the possibility of many more lurking undetected in the dark, waiting to be given away by a star passing too close. Lin plans to continue his meticulous detective work, using the methods his team has proved successful. Many questions remain to be answered. Does a supermassive black hole grow from an IMBH? How do IMBHs themselves form? Are dense star clusters their favored home?
