Los agujeros negros supermasivos son los agujeros negros más grandes, con masas que pueden superar los mil millones de soles. Solo esta primavera se tomó la primera imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87, y los investigadores descubrieron recientemente el agujero negro supermasivo más grande jamás visto. A pesar de estos esfuerzos innovadores, Descubrir cómo estos agujeros negros impulsan la forma y la estructura de una galaxia sigue siendo un desafío porque la mayoría de ellos están demasiado lejos para que los telescopios actuales los resuelvan con precisión.

Un estudio publicado en Astronomía de la naturaleza describe una nueva forma de "pesar" los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias utilizando distancias entre galaxias vecinas como proxy. La investigación fue una colaboración global que involucró a investigadores de instituciones en el Reino Unido, Italia, Alemania, Chile, y los Estados Unidos, incluidos los profesores de Penn, Mariangela Bernardi y Ravi Sheth.

La obtención de una estimación precisa de la masa de un agujero negro supermasivo generalmente se realiza midiendo la velocidad del polvo y el gas que se arremolinan a su alrededor. Esto requiere telescopios extremadamente sensibles que utilizan un análisis complejo, y solo se puede hacer para agujeros negros que son lo suficientemente grandes como para resolverse y están relativamente cerca de la Tierra. Sin embargo, si esta masa se correlaciona con otras propiedades de la galaxia anfitriona, los que se pueden medir incluso cuando el agujero negro es más pequeño o más alejado, se pueden utilizar estas otras propiedades como "sustitutos" de la masa.

Sin embargo, explica Bernardi, "Nos dimos cuenta de que hay un sesgo en la muestra cercana que se utilizó para calibrar las masas. Los objetos para los que actualmente podemos medir masas no parecen ser típicos. Nuestro trabajo sugirió que los agujeros negros supermasivos son, de media, no tan masivo como se pensaba anteriormente ".

Para verificar esta diferencia de masa, los investigadores idearon una forma nueva y muy diferente de estimar las masas de los agujeros negros. Usaron el hecho de que, mientras un agujero negro está rodeado por su galaxia anfitriona, la propia galaxia está rodeada por un "halo" aún mayor hecho de materia oscura. Se sabe que las galaxias que están rodeadas por halos más masivos se agrupan con otras grandes, galaxias masivas. Dado que existen agujeros negros más masivos en galaxias más masivas que tienen halos más masivos, la fuerza de agrupamiento en realidad "pesa" los halos de materia oscura y, por delegación, las masas de los agujeros negros en sus centros.

Esta nueva medición también sugiere que los agujeros negros supermasivos son menos masivos de lo que se pensaba anteriormente. y podría explicar por qué algunos experimentos en curso no han arrojado los resultados esperados. Como un ejemplo, púlsares, restos de estrellas explotadas, brillan como faros que giran muy rápidamente y que giran cientos de veces por segundo. La luz de los púlsares se emite en increíblemente cortos, intervalos regulares a medida que el rayo pasa por la Tierra una y otra vez. Actualmente, los investigadores están buscando ondas de gravedad causadas por la colisión de dos agujeros negros supermasivos, lo que debería hacer que estos rayos se acerquen y se alejen de la Tierra a medida que la onda pasa rápidamente y afecta la sincronización de los pulsos.

Debido a que aún no se han visto los cambios esperados, dice Sheth, "La gente estaba empezando a preocuparse de que tal vez la gravedad sea extraña, o tal vez no comprendamos completamente la física de las fusiones que generan las ondas gravitacionales. Pero si las verdaderas masas de los agujeros negros son más pequeñas de lo que se pensaba, entonces las ondas gravitatorias predichas serían más débiles, haciendo que los cambios en la sincronización del púlsar sean más difíciles de detectar ".

En los próximos 10 años, Se espera que los nuevos telescopios puedan obtener mediciones de masa más precisas para los agujeros negros y brindar una oportunidad para que los investigadores prueben su nuevo método contra conjuntos de datos más grandes. Instalaciones como el telescopio extremadamente grande, un 39 metros programado para ser terminado en 2025, puede permitir a los investigadores medir agujeros negros más pequeños y distantes y sus galaxias anfitrionas directamente.

“Estos hallazgos tienen implicaciones significativas para nuestra comprensión de la evolución y el crecimiento de los agujeros negros supermasivos, "dice el autor principal Francesco Shankar. Bernardi agrega que este trabajo también permitirá a los investigadores estudiar más a fondo la conexión entre el crecimiento de agujeros negros supermasivos y la evolución de las galaxias.