Cavidades gigantes en el medio intragrupo emisor de rayos X (mostrado en azul, según lo observado por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA) han sido tallados por un estallido de un agujero negro. Los datos de rayos X se superponen sobre los datos ópticos del Telescopio Espacial Hubble (en rojo / naranja), donde también es visible la galaxia central que probablemente alberga el agujero negro supermasivo culpable. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Hace miles de millones de años, en el centro de un cúmulo de galaxias lejano, muy lejos (15 mil millones de años luz, para ser exacto), un agujero negro arrojó chorros de plasma. Cuando el plasma salió corriendo del agujero negro, alejó el material, creando dos grandes cavidades a 180 grados entre sí. De la misma forma se puede calcular la energía del impacto de un asteroide por el tamaño de su cráter, Michael Calzadilla, estudiante de posgrado en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT (MKI), usó el tamaño de estas cavidades para averiguar el poder del estallido del agujero negro.
En un artículo reciente en el Cartas de revistas astrofísicas , Calzadilla y sus coautores describen el estallido en el cúmulo de galaxias SPT-CLJ0528-5300, o SPT-0528 para abreviar. Combinando el volumen y la presión del gas desplazado con la edad de las dos cavidades, pudieron calcular la energía total del estallido. Más de 10 54 julios de energía, una fuerza equivalente a aproximadamente 10 38 bombas nucleares, este es el estallido más poderoso registrado en un cúmulo de galaxias distantes. Los coautores del artículo incluyen al científico investigador de MKI Matthew Bayliss y al profesor asistente de física Michael McDonald.
El universo está salpicado de cúmulos de galaxias, colecciones de cientos e incluso miles de galaxias que están impregnadas de gas caliente y materia oscura. En el centro de cada cúmulo hay un agujero negro, que pasa por períodos de alimentación, donde devora el plasma del cúmulo, seguido de períodos de explosión explosiva, donde dispara chorros de plasma una vez que ha alcanzado su llenado. "Este es un caso extremo de la fase de explosión, ", dice Calzadilla sobre su observación del SPT-0528. Aunque el estallido ocurrió hace miles de millones de años, antes de que nuestro sistema solar se hubiera formado, la luz del cúmulo de galaxias tardó alrededor de 6.700 millones de años en viajar hasta Chandra, Observatorio de emisiones de rayos X de la NASA que orbita la Tierra.
Debido a que los cúmulos de galaxias están llenos de gas, las primeras teorías sobre ellos predijeron que a medida que el gas se enfriaba, los cúmulos verían altas tasas de formación de estrellas, que necesitan gas frío para formarse. Sin embargo, estos grupos no son tan geniales como se predijo y, como tal, no estaban produciendo nuevas estrellas al ritmo esperado. Algo impedía que el gas se enfriara por completo. Los culpables fueron agujeros negros supermasivos, cuyos estallidos de plasma mantienen el gas en los cúmulos de galaxias demasiado caliente para la rápida formación de estrellas.
El estallido registrado en SPT-0528 tiene otra peculiaridad que lo distingue de otros estallidos de agujeros negros. Es innecesariamente grande. Los astrónomos piensan en el proceso de enfriamiento de gas y liberación de gas caliente de los agujeros negros como un equilibrio que mantiene estable la temperatura en el cúmulo de galaxias, que ronda los 18 millones de grados Fahrenheit. "Es como un termostato, "dice McDonald. El estallido en SPT-0528, sin embargo, no está en equilibrio.
Según Calzadilla, si observa cuánta energía se libera cuando el gas se enfría en el agujero negro versus cuánta energía está contenida en el estallido, el arrebato lo está exagerando enormemente. En la analogía de McDonald's, el estallido en SPT-0528 es un termostato defectuoso. "Es como si enfriaras el aire 2 grados, y la respuesta del termostato fue calentar la habitación en 100 grados, "Explica McDonald.
A principios de 2019, McDonald y sus colegas publicaron un artículo que analiza un cúmulo de galaxias diferente, uno que muestra un comportamiento completamente opuesto al de SPT-0528. En lugar de un arrebato innecesariamente violento, el agujero negro en este cúmulo, apodado Phoenix, no puede evitar que el gas se enfríe. A diferencia de todos los otros cúmulos de galaxias conocidos, Phoenix está lleno de guarderías de estrellas jóvenes, lo que lo distingue de la mayoría de los cúmulos de galaxias.
"Con estos dos cúmulos de galaxias, realmente estamos mirando los límites de lo que es posible en los dos extremos, "McDonald dice de SPT-0528 y Phoenix. Él y Calzadilla también caracterizarán los cúmulos de galaxias más normales, para comprender la evolución de los cúmulos de galaxias a lo largo del tiempo cósmico. Para explorar esto, Calzadilla está caracterizando 100 cúmulos de galaxias.
La razón para caracterizar una colección tan grande de cúmulos de galaxias es que cada imagen del telescopio captura los cúmulos en un momento específico en el tiempo. mientras que sus comportamientos están sucediendo durante el tiempo cósmico. Estos grupos cubren una variedad de distancias y edades, permitiendo a Calzadilla investigar cómo cambian las propiedades de los cúmulos a lo largo del tiempo cósmico. "Estas son escalas de tiempo que son mucho más grandes que una escala de tiempo humana o lo que podemos observar, "explica Calzadilla.
La investigación es similar a la de un paleontólogo que intenta reconstruir la evolución de un animal a partir de un escaso registro fósil. Pero, en lugar de huesos, Calzadilla está estudiando cúmulos de galaxias, desde SPT-0528 con su violento estallido de plasma en un extremo hasta Phoenix con su rápido enfriamiento en el otro. "Estás viendo diferentes instantáneas en el tiempo, ", dice Calzadilla." Si crea muestras suficientemente grandes de cada una de esas instantáneas, puedes hacerte una idea de cómo evoluciona un cúmulo de galaxias ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
