Representación de un artista de las regiones internas de una galaxia / quásar activo, con un agujero negro supermasivo en el centro rodeado por un disco de material caliente que cae. El recuadro en la parte inferior derecha muestra cómo el brillo de la luz proveniente de dos regiones diferentes cambia con el tiempo. El panel superior del gráfico muestra la región del "continuo", que se origina cerca del agujero negro (la vecindad general está indicada por la forma de "swoosh"). El panel inferior muestra la región de la línea de emisión de H-beta, que proviene del gas hidrógeno que se mueve rápidamente más lejos del agujero negro (la vecindad general está indicada por el otro "swoosh"). El lapso de tiempo cubierto por estas dos curvas de luz es de aproximadamente seis meses. La gráfica de abajo "hace eco" de la de arriba, con un ligero retraso de aproximadamente 10 días indicado por la línea vertical. Esto significa que la distancia entre estas dos regiones es de aproximadamente 10 días luz (aproximadamente 150 mil millones de millas, o 240 millones de kilómetros). Crédito:Nahks Tr’Ehnl (www.nahks.com) y Catherine Grier (The Pennsylvania State University) y la colaboración de SDSS
Hoy dia, Los astrónomos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) anunciaron nuevas mediciones de las masas de una gran muestra de agujeros negros supermasivos mucho más allá del Universo local.
Los resultados, presentado en la reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense (AAS) en National Harbor, Maryland y publicado en el Diario astrofísico , representan un gran paso adelante en nuestra capacidad para medir masas de agujeros negros supermasivos en un gran número de cuásares y galaxias distantes.
"Esta es la primera vez que medimos directamente masas para tantos agujeros negros supermasivos tan lejanos, "dice Catherine Grier, becario postdoctoral en la Universidad Estatal de Pensilvania y autor principal de este trabajo. "Estas nuevas medidas, y futuras mediciones como estas, proporcionará información vital para las personas que estudian cómo crecen y evolucionan las galaxias a lo largo del tiempo cósmico ".
Los agujeros negros supermasivos (SMBH) se encuentran en los centros de casi todas las grandes galaxias, incluidos los que se encuentran en los confines más lejanos del Universo. La atracción gravitacional de estos agujeros negros supermasivos es tan grande que el polvo y el gas cercanos en la galaxia anfitriona son atraídos inexorablemente. El material que cae se calienta a temperaturas tan altas que brilla lo suficiente como para ser visto a través del Universo. Estos brillantes discos de gas caliente se conocen como "cuásares, "y son indicadores claros de la presencia de agujeros negros supermasivos. Al estudiar estos cuásares, aprendemos no solo sobre las SMBH, sino también sobre las galaxias distantes en las que viven. Pero para hacer todo esto se requieren mediciones de las propiedades de las SMBH, lo más importante sus masas.
El problema es que medir las masas de pequeñas y medianas empresas es una tarea abrumadora. Los astrónomos miden masas SMBH en galaxias cercanas observando grupos de estrellas y gas cerca del centro de la galaxia; sin embargo, estas técnicas no funcionan para galaxias más distantes, porque están tan lejos que los telescopios no pueden resolver sus centros. Las mediciones directas de masa SMBH en galaxias más lejanas se realizan utilizando una técnica llamada "mapeo de reverberación".
El mapeo de reverberación funciona comparando el brillo de la luz proveniente del gas muy cerca del agujero negro (conocido como la luz "continua") con el brillo de la luz proveniente de un gas que se mueve rápidamente más lejos. Los cambios que ocurren en la región del continuo impactan en la región externa, pero la luz tarda en viajar hacia el exterior, o "reverberar". Esta reverberación significa que hay un retraso de tiempo entre las variaciones observadas en las dos regiones. Midiendo este retraso de tiempo, los astrónomos pueden determinar qué tan lejos está el gas del agujero negro. Saber esa distancia les permite medir la masa del agujero negro supermasivo, aunque no pueden ver los detalles del agujero negro en sí.
Durante los últimos 20 años, Los astrónomos han utilizado la técnica de mapeo de reverberación para medir laboriosamente las masas de alrededor de 60 SMBH en galaxias activas cercanas. El mapeo de reverberación requiere obtener observaciones de estas galaxias activas, una y otra vez durante varios meses, por lo que en su mayor parte, las mediciones se realizan solo para un puñado de galaxias activas a la vez. Usando la técnica de mapeo de reverberación en cuásares, que están más lejos, es aún más difícil, requiriendo años de observaciones repetidas. Debido a estas dificultades de observación, Los astrónomos solo habían utilizado con éxito el mapeo de reverberación para medir masas SMBH para un puñado de cuásares más distantes, hasta ahora.
Un gráfico de masas conocidas de agujeros negros supermasivos en varios "tiempos retrospectivos, ”Que mide el tiempo en el pasado que vemos cuando miramos cada cuásar. Los cuásares más distantes tienen tiempos de retroceso más largos (ya que su luz tarda más en viajar a la Tierra), por eso los vemos tal como aparecieron en un pasado más distante. El Universo tiene aproximadamente 13,8 mil millones de años, por lo que el gráfico se remonta a cuando el Universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual. Las masas de agujeros negros medidas en este trabajo se muestran como círculos púrpuras, mientras que los cuadrados grises muestran masas de agujeros negros medidas por proyectos de mapeo de reverberación anteriores. Los tamaños de los cuadrados y círculos están relacionados con las masas de los agujeros negros que representan. El gráfico muestra agujeros negros de 5 millones a 1,7 mil millones de veces la masa del sol. Crédito:Catherine Grier (Universidad Estatal de Pensilvania) y la colaboración de SDSS
En este nuevo trabajo, El equipo de Grier ha utilizado una aplicación a escala industrial de la técnica de mapeo de reverberación con el objetivo de medir las masas de los agujeros negros en decenas a cientos de quásares. La clave del éxito del proyecto de mapeo de reverberación del SDSS radica en la capacidad del SDSS para estudiar muchos cuásares a la vez; el programa actualmente observa alrededor de 850 cuásares simultáneamente. Pero incluso con el potente telescopio del SDSS, esta es una tarea desafiante porque estos cuásares distantes son increíblemente débiles.
"Tienes que calibrar estas medidas con mucho cuidado para asegurarte de que realmente entiendes lo que está haciendo el sistema de quásar, "dice Jon Trump, profesor asistente en la Universidad de Connecticut y miembro del equipo de investigación.
Las mejoras en las calibraciones se obtuvieron también mediante la observación de los cuásares con el telescopio Canadá-Francia-Hawai (CFHT) y el telescopio Steward Observatory Bok ubicado en Kitt Peak durante la misma temporada de observación. Una vez compiladas todas las observaciones y completado el proceso de calibración, el equipo encontró retrasos en el tiempo de reverberación para 44 cuásares. Utilizaron estas mediciones de retardo de tiempo para calcular masas de agujeros negros que van desde alrededor de 5 millones a 1,7 mil millones de veces la masa de nuestro sol.
"Este es un gran paso adelante para la ciencia de los cuásares, "dice Aaron Barth, profesor de astronomía en la Universidad de California, Irvine, que no participó en la investigación del equipo. "Han demostrado por primera vez que estas difíciles mediciones se pueden realizar en modo de producción en masa".
Estas nuevas mediciones de SDSS aumentan el número total de galaxias activas con mediciones de masa SMBH en aproximadamente dos tercios, y llevar las mediciones más atrás en el tiempo hasta cuando el Universo tenía solo la mitad de su edad actual. Pero el equipo no se detiene allí:continúan observando estos 850 cuásares con SDSS, y los años adicionales de datos les permitirán medir masas de agujeros negros en cuásares aún más distantes, que tienen retrasos de tiempo más largos que no se pueden medir con un solo año de datos.
"Obtener observaciones de cuásares durante varios años es fundamental para obtener buenas mediciones, "dice Yue Shen, profesor asistente en la Universidad de Illinois e investigador principal del proyecto SDSS Reverberation Mapping. "A medida que continuamos con nuestro proyecto para monitorear más y más cuásares en los próximos años, seremos capaces de comprender mejor cómo crecen y evolucionan los agujeros negros supermasivos ".
El futuro del SDSS ofrece muchas más posibilidades interesantes para utilizar el mapeo de reverberación para medir masas de agujeros negros supermasivos en todo el Universo. Una vez que finalice la actual cuarta fase del SDSS en 2020, la quinta fase del programa, SDSS-V, comienza. SDSS-V presenta un nuevo programa llamado Black Hole Mapper, que planea medir masas SMBH en más de 1, 000 cuásares más, empujando más lejos en el Universo que cualquier proyecto de mapeo de reverberación jamás antes.
"El mapeador de agujeros negros nos permitirá entrar en la era del mapeo de reverberación de agujeros negros supermasivos a una verdadera escala industrial, "dice Niel Brandt, profesor de Astronomía y Astrofísica en la Universidad Estatal de Pensilvania y miembro del SDSS desde hace mucho tiempo. "Aprenderemos más que nunca sobre estos misteriosos objetos".
