Estas imágenes revelan la etapa final de una unión entre dos núcleos galácticos en el desordenado núcleo de la galaxia fusionada NGC 6240. La imagen de la izquierda muestra la galaxia completa. A la derecha hay un primer plano de los dos núcleos brillantes de esta unión galáctica. Esta vista, tomado en luz infrarroja, perfora la densa nube de polvo y gas que encierra las dos galaxias en colisión y descubre los núcleos activos. Los enormes agujeros negros en estos núcleos están creciendo rápidamente mientras se deleitan con el gas generado por la fusión de galaxias. Crédito:NASA, ESA, Observatorio W. M. Keck, Pan-STARRS y M. Koss (Eureka Scientific, C ª.)
Por primera vez, un equipo de astrónomos ha observado varios pares de galaxias en las etapas finales de fusionarse en una sola, galaxias más grandes. Mirando a través de gruesas paredes de gas y polvo que rodean los desordenados núcleos de las galaxias fusionadas, El equipo de investigación capturó pares de agujeros negros supermasivos, cada uno de los cuales alguna vez ocupó el centro de una de las dos galaxias más pequeñas originales, acercándose antes de fusionarse en un agujero negro gigante.
Dirigido por el ex alumno de la Universidad de Maryland Michael Koss (MS '07, Doctor. '11, astronomía), un científico investigador en Eureka Scientific, C ª., con contribuciones de astrónomos de la UMD, el equipo examinó cientos de galaxias cercanas utilizando imágenes de W.M. Observatorio Keck en Hawái y Telescopio Espacial Hubble de la NASA. Las observaciones del Hubble representan más de 20 años de imágenes del extenso archivo del telescopio. El equipo describió sus hallazgos en un artículo de investigación publicado el 8 de noviembre, 2018, en el diario Naturaleza .
"Ver los pares de núcleos de galaxias fusionados asociados con estos enormes agujeros negros tan juntos fue bastante sorprendente, ", Dijo Koss." En nuestro estudio, vemos dos núcleos de galaxias justo cuando se tomaron las imágenes. No puedes discutir con eso; es un resultado muy 'limpio', que no depende de la interpretación ".
Las imágenes de alta resolución también proporcionan una vista previa de cerca de un fenómeno que los astrónomos sospechan que era más común en el universo temprano. cuando las fusiones de galaxias eran más frecuentes. Cuando los agujeros negros finalmente chocan, desatarán una poderosa energía en forma de ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo detectadas recientemente por primera vez por los detectores gemelos del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO).
Las imágenes también presagian lo que probablemente sucederá en unos pocos miles de millones de años, cuando nuestra galaxia, la Vía Láctea, se fusiona con la vecina galaxia de Andrómeda. Ambas galaxias albergan agujeros negros supermasivos en su centro, que eventualmente se romperán y se fusionarán en un agujero negro más grande.
El equipo se inspiró en una imagen del Hubble de dos galaxias en interacción llamadas colectivamente NGC 6240, que luego sirvió como prototipo para el estudio. El equipo buscó primero visualmente oscurecido, agujeros negros activos mediante el análisis de 10 años de datos de rayos X del Telescopio Burst Alert (BAT) a bordo del Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA.
Estas imágenes revelan la etapa final de una unión entre pares de núcleos galácticos en los desordenados núcleos de galaxias en colisión. tomada por la cámara de campo amplio 3 del Hubble, muestra la fusión de la galaxia NGC 6240. En la parte superior derecha se muestra un primer plano de los dos núcleos brillantes de esta unión galáctica. Esta vista, tomado en luz infrarroja, perfora la densa nube de polvo y gas que encierra las dos galaxias en colisión y descubre los núcleos activos. Los enormes agujeros negros en estos núcleos están creciendo rápidamente mientras se deleitan con el gas generado por la fusión de galaxias. El rápido crecimiento de los agujeros negros ocurre durante los últimos 10 a 20 millones de años de la fusión. Imágenes de otras cuatro galaxias en colisión, junto con vistas de cerca de sus núcleos coalescentes en los núcleos brillantes, se muestran debajo de las instantáneas de NGC 6240. Las imágenes de los núcleos brillantes fueron tomadas en luz infrarroja cercana por el Observatorio W. M. Keck en Hawai, utilizando óptica adaptativa para agudizar la vista. Las imágenes de referencia (izquierda) de las galaxias fusionadas fueron tomadas por el telescopio panorámico y el sistema de respuesta rápida (Pan-STARRS). Los dos núcleos en las fotos del Observatorio Hubble y Keck son solo alrededor de 3, 000 años luz de distancia:un abrazo cercano en términos cósmicos. Si hay pares de agujeros negros, probablemente se fusionarán en los próximos 10 millones de años para formar un agujero negro más masivo. Estas observaciones son parte del estudio más grande jamás realizado de los núcleos de galaxias cercanas utilizando imágenes de alta resolución en luz infrarroja cercana tomadas por los observatorios Hubble y Keck. La distancia promedio de las galaxias de la encuesta es de 330 millones de años luz de la Tierra. Crédito:NASA, ESA, y M. Koss (Eureka Scientific, C ª.); Imágenes de Keck:Observatorio W. M. Keck y M. Koss (Eureka Scientific, C ª.); Imágenes Pan-STARRS:telescopio panorámico y sistema de respuesta rápida y M. Koss (Eureka Scientific, C ª.)
"La ventaja de usar BAT de Swift es que observa alta energía, radiografías 'duras', "dijo el coautor del estudio Richard Mushotzky, profesor de astronomía en la UMD y miembro del Joint Space-Science Institute (JSI). "Estos rayos X penetran a través de las espesas nubes de polvo y gas que rodean a las galaxias activas, permitiendo que BAT vea cosas que son literalmente invisibles en otras longitudes de onda ".
Luego, los investigadores revisaron el archivo de Hubble, concentrándose en las galaxias fusionadas que detectaron en los datos de rayos X. A continuación, utilizaron el súper nítido del telescopio Keck, visión en el infrarrojo cercano para observar una muestra más grande de los agujeros negros productores de rayos X que no se encuentran en el archivo del Hubble.
El equipo apuntó a galaxias ubicadas a un promedio de 330 millones de años luz de la Tierra, relativamente cerca en términos cósmicos. Muchas de las galaxias son similares en tamaño a las galaxias Vía Láctea y Andrómeda. En total, el equipo analizó 96 galaxias observadas con el telescopio Keck y 385 galaxias del archivo Hubble.
Sus resultados sugieren que más del 17 por ciento de estas galaxias albergan un par de agujeros negros en su centro, que están bloqueados en las últimas etapas de la espiral cada vez más cerca antes de fusionarse en una sola, agujero negro ultramasivo. Los investigadores se sorprendieron al encontrar una fracción tan alta de fusiones en etapa tardía, porque la mayoría de las simulaciones sugieren que los pares de agujeros negros pasan muy poco tiempo en esta fase.
Para comprobar sus resultados, los investigadores compararon las galaxias de la encuesta con un grupo de control de otras 176 galaxias del archivo del Hubble que carecen de agujeros negros en crecimiento activo. En este grupo, Se sospechaba que solo alrededor del uno por ciento de las galaxias estudiadas albergaban pares de agujeros negros en las últimas etapas de fusión.
Este último paso ayudó a los investigadores a confirmar que los núcleos galácticos luminosos encontrados en su censo de galaxias polvorientas que interactúan son de hecho una firma de pares de agujeros negros de rápido crecimiento que se dirigen a una colisión. Según los investigadores, este hallazgo es consistente con las predicciones teóricas, pero hasta ahora no había sido verificado por observaciones directas.
"La gente había realizado estudios para buscar estos agujeros negros que interactúan estrechamente antes, pero lo que realmente permitió este estudio en particular fueron los rayos X que pueden atravesar el capullo de polvo, ", explicó Koss." También miramos un poco más lejos en el universo para poder inspeccionar un mayor volumen de espacio, dándonos una mayor posibilidad de encontrar más luminosos, agujeros negros de rápido crecimiento ".
No es fácil encontrar núcleos galácticos tan juntos. La mayoría de las observaciones anteriores de galaxias fusionadas han captado los agujeros negros fusionándose en etapas anteriores, cuando estaban unas 10 veces más lejos. La última etapa del proceso de fusión es muy difícil de alcanzar porque las galaxias que interactúan están encerradas en polvo y gas denso, requiriendo observaciones de muy alta resolución que puedan ver a través de las nubes y señalar los dos núcleos que se fusionan.
"Las simulaciones por computadora de aplastamientos de galaxias nos muestran que los agujeros negros crecen más rápido durante las etapas finales de las fusiones, cerca del momento en que los agujeros negros interactúan, y eso es lo que encontramos en nuestra encuesta, "dijo Laura Blecha, profesor asistente de física en la Universidad de Florida y coautor del estudio. Blecha fue becario postdoctoral del premio JSI en el Departamento de Astronomía de la UMD antes de unirse a la facultad de UF en 2017. "El hecho de que los agujeros negros crezcan cada vez más rápido a medida que avanzan las fusiones nos dice que los encuentros de galaxias son realmente importantes para nuestra comprensión de cómo estos objetos llegaron a ser tan monstruosamente grande ".
Futuros telescopios infrarrojos como el muy esperado telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA, programado para su lanzamiento en 2021, proporcionará una visión aún mejor de las fusiones en polvoriento, galaxias muy oscurecidas. Para pares de agujeros negros cercanos, JWST también debería ser capaz de medir las masas, tasas de crecimiento y otros parámetros físicos para cada agujero negro.
"Puede que haya otros objetos que pasamos por alto. Incluso con Hubble, muchas galaxias cercanas con un corrimiento al rojo bajo no se pueden resolver:los dos núcleos simplemente se fusionan en uno, "dijo el coautor del estudio Sylvain Veilleux, profesor de astronomía en la UMD y becario de JSI. "Con la mayor resolución angular y sensibilidad al infrarrojo de JWST, que puede atravesar los polvorientos núcleos de estas galaxias, las búsquedas de estos objetos cercanos deberían ser fáciles de realizar. También con JWST, podremos avanzar hacia distancias más grandes, para ver objetos con un mayor corrimiento al rojo. Con estas observaciones, podemos comenzar a explorar la fracción de objetos que se fusionan en los más jóvenes, regiones más distantes del universo, que deberían ser bastante frecuentes ".
