Cuando miras al cielo nocturno ¿Cómo sabes si las motas de luz que ves son brillantes y lejanas? o relativamente débil y cercano? Una forma de averiguarlo es comparar cuánta luz emite realmente el objeto con qué tan brillante parece. La diferencia entre su verdadera luminosidad y su brillo aparente revela la distancia de un objeto al observador.

Medir la luminosidad de un objeto celeste es un desafío, especialmente con los agujeros negros, que no emiten luz. Pero los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias proporcionan una escapatoria:a menudo arrastran mucha materia a su alrededor, formando discos calientes que pueden irradiar intensamente. Medir la luminosidad de un disco brillante permitiría a los astrónomos medir la distancia al agujero negro y la galaxia en la que vive. Las mediciones de distancia no solo ayudan a los científicos a crear una mejor, mapa tridimensional del universo, también pueden proporcionar información sobre cómo y cuándo se formaron los objetos.

En un nuevo estudio, Los astrónomos utilizaron una técnica que algunos han apodado "mapeo de eco" para medir la luminosidad de los discos de agujeros negros en más de 500 galaxias. Publicado el mes pasado en el Diario astrofísico , el estudio apoya la idea de que este enfoque podría usarse para medir las distancias entre la Tierra y estas galaxias lejanas.

El proceso de mapeo de eco, también conocido como mapeo de reverberación, comienza cuando el disco de plasma caliente (átomos que han perdido sus electrones) cerca del agujero negro se vuelve más brillante, a veces incluso liberando destellos cortos de luz visible (es decir, longitudes de onda que pueden ser vistas por el ojo humano). Esa luz se aleja del disco y finalmente se topa con una característica común de la mayoría de los sistemas de agujeros negros supermasivos:una enorme nube de polvo en forma de rosquilla (también conocida como toro). Juntos, el disco y el toro forman una especie de diana, con el disco de acreción envuelto firmemente alrededor del agujero negro, seguido de anillos consecutivos de plasma y gas ligeramente más fríos, y finalmente el toro de polvo, que compone el más ancho, anillo más externo en la diana. Cuando el destello de luz del disco de acreción alcanza la pared interior del toro polvoriento, la luz se absorbe, haciendo que el polvo se caliente y libere luz infrarroja. Este brillo del toro es una respuesta directa ao, se podría decir un "eco" de los cambios que ocurren en el disco.

La distancia desde el disco de acreción hasta el interior del toroide de polvo puede ser enorme:miles de millones o billones de millas. Incluso ligero viajando a 186, 000 millas (300, 000 kilómetros) por segundo, puede llevar meses o años cruzarlo. Si los astrónomos pueden observar tanto el destello inicial de luz visible en el disco de acreción como el subsiguiente brillo infrarrojo en el toro, también pueden medir el tiempo que tardó la luz en viajar entre esas dos estructuras. Debido a que la luz viaja a una velocidad estándar, esta información también les da a los astrónomos la distancia entre el disco y el toro.

Luego, los científicos pueden usar la medición de distancia para calcular la luminosidad del disco, y, En teoria, su distancia de la Tierra. He aquí cómo:la temperatura en la parte del disco más cercana al agujero negro puede alcanzar decenas de miles de grados, tan alta que incluso los átomos se rompen y las partículas de polvo no pueden formarse. El calor del disco también calienta el área que lo rodea, como una hoguera en una noche fría. Viajando lejos del agujero negro la temperatura desciende gradualmente.

Los astrónomos saben que el polvo se forma cuando la temperatura desciende a aproximadamente 2, 200 grados Fahrenheit (1, 200 grados Celsius); cuanto más grande es la hoguera (o más energía irradia el disco), cuanto más lejos de él se forma el polvo. Entonces, medir la distancia entre el disco de acreción y el toro revela la salida de energía del disco, que es directamente proporcional a su luminosidad.

Debido a que la luz puede tardar meses o años en atravesar el espacio entre el disco y el toro, los astrónomos necesitan datos que abarquen décadas. El nuevo estudio se basa en casi dos décadas de observaciones con luz visible de discos de acreción de agujeros negros. capturado por varios telescopios terrestres. La luz infrarroja emitida por el polvo fue detectada por el Explorador de Levantamiento Infrarrojo de Campo Amplio de Objetos Cercanos a la Tierra (NEOWISE) de la NASA, anteriormente llamado WISE. La nave espacial inspecciona todo el cielo una vez cada seis meses, proporcionando a los astrónomos oportunidades repetidas para observar galaxias y buscar señales de esos "ecos" de luz. El estudio utilizó 14 encuestas del cielo realizadas por WISE / NEOWISE, recolectados entre 2010 y 2019. En algunas galaxias, la luz tardó más de 10 años en atravesar la distancia entre el disco de acreción y el polvo, haciéndolos los ecos más largos jamás medidos fuera de la Vía Láctea.

Galaxias lejanas, Lejos

La idea de utilizar el mapeo de eco para medir la distancia desde la Tierra a galaxias lejanas no es nueva, pero el estudio logra avances sustanciales en la demostración de su viabilidad. La encuesta individual más grande de su tipo, el estudio confirma que el mapeo de eco se desarrolla de la misma manera en todas las galaxias, independientemente de variables como el tamaño de un agujero negro, que puede variar significativamente en todo el universo. Pero la técnica no está lista para su máxima audiencia.

Debido a múltiples factores, las mediciones de distancia de los autores carecen de precisión. Más destacado, los autores dijeron, necesitan comprender más sobre la estructura de las regiones internas de la rosquilla de polvo que rodea el agujero negro. Esa estructura podría afectar cosas como qué longitudes de onda específicas de luz infrarroja emite el polvo cuando la luz lo alcanza por primera vez.

Los datos de WISE no abarcan todo el rango de longitud de onda infrarroja, y un conjunto de datos más amplio podría mejorar las mediciones de distancia. Telescopio espacial romano Nancy Grace de la NASA, que se lanzará a mediados de la década de 2020, proporcionará observaciones específicas en diferentes rangos de longitud de onda infrarroja. La próxima misión SPHEREx de la agencia (que significa Espectrofotómetro para la Historia del Universo, Epoch of Reionization y Ices Explorer) inspeccionarán todo el cielo en múltiples longitudes de onda infrarrojas y también podrían ayudar a mejorar la técnica.

"La belleza de la técnica de mapeo de eco es que estos agujeros negros supermasivos no desaparecerán pronto, "dijo Qian Yang, investigador de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y autor principal del estudio, refiriéndose al hecho de que los discos de agujeros negros pueden experimentar quemaduras activas durante miles o incluso millones de años. "De modo que podemos medir los ecos de polvo una y otra vez para el mismo sistema para mejorar la medición de la distancia".

Las mediciones de distancia basadas en la luminosidad ya se pueden realizar con objetos conocidos como "velas estándar, "que tienen una luminosidad conocida. Un ejemplo es un tipo de estrella en explosión llamada supernova de Tipo 1a, que jugó un papel fundamental en el descubrimiento de la energía oscura (el nombre dado a la misteriosa fuerza impulsora detrás de la expansión acelerada del universo). Las supernovas de tipo 1a tienen aproximadamente la misma luminosidad, por lo que los astrónomos solo necesitan medir su brillo aparente para calcular su distancia a la Tierra.

Con otras velas estándar, los astrónomos pueden medir una propiedad del objeto para deducir su luminosidad específica. Tal es el caso del mapeo de eco, donde cada disco de acreción es único pero la técnica para medir la luminosidad es la misma. Hay beneficios para los astrónomos de poder usar múltiples velas estándar, como poder comparar mediciones de distancia para confirmar su precisión, y cada vela estándar tiene fortalezas y debilidades.

"Medir distancias cósmicas es un desafío fundamental en astronomía, por lo que la posibilidad de tener un truco extra bajo la manga es muy emocionante, "dijo Yue Shen, también investigador de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y coautor del artículo.